Synthetic molecular motor
செயற்கை மூலக்கூறு மோட்டார்கள் என்பது ஆற்றல் உள்ளீட்டின் கீழ் தொடர்ச்சியான திசை சுழற்சி திறன் கொண்ட மூலக்கூறு இயந்திரங்கள் ஆகும். "மூலக்கூறு மோட்டார்" என்ற சொல் பாரம்பரியமாக இயக்கத்தைத் தூண்டும் இயற்கையாக நிகழும் புரதத்தைக் குறிக்கிறது என்றாலும் (புரத இயக்கவியல் வழியாக), சில குழுக்கள் உயிரியல் அல்லாத, பெப்டைட் அல்லாத செயற்கை மோட்டார்களைக் குறிக்கும் போது இந்த வார்த்தையைப் பயன்படுத்துகின்றன. பல வேதியியலாளர்கள் இத்தகைய மூலக்கூறு மோட்டார்களின் தொகுப்பைத் தொடர்கின்றனர். ஒரு செயற்கை மோட்டரின் அடிப்படை தேவைகள் 360 டிகிரி இயக்கம், ஆற்றல் நுகர்வு மற்றும் ஒரு திசை சுழற்சி ஆகும். இந்த திசையில் முதல் இரண்டு முயற்சிகள், பாஸ்டன் கல்லூரியின் டாக்டர் டி. ரோஸ் கெல்லி சக ஊழியர்களுடன் வேதியியல் ரீதியாக இயக்கப்படும் மோட்டார் மற்றும் பென் ஃபெரிங்கா மற்றும் சக ஊழியர்களால் ஒளியால் இயக்கப்படும் மோட்டார், 1999 இல் நேச்சர் இதழில் வெளியிடப்பட்டன. 2020 ஆம் ஆண்டு நிலவரப்படி, மிகச்சிறிய அணு துல்லியமான மூலக்கூறு இயந்திரம் நான்கு அணுக்களைக் கொண்ட ஒரு ரோட்டரைக் கொண்டுள்ளது. வேதியியல் ரீதியாக இயக்கப்படும் சுழல் மூலக்கூறு மோட்டார்கள் 1999 ஆம் ஆண்டில் கெல்லி மற்றும் சக ஊழியர்களால் செயற்கை வேதியியல் ரீதியாக இயக்கப்படும் சுழல் மூலக்கூறு மோட்டருக்கான முன்மாதிரியின் எடுத்துக்காட்டு தெரிவிக்கப்பட்டது. அவற்றின் அமைப்பு மூன்று பிளேடுகள் கொண்ட டிரிப்டைசின் ரோட்டார் மற்றும் ஒரு ஹெலிசீன் ஆகியவற்றால் ஆனது, மேலும் இது ஒரு திசை 120 டிகிரி சுழற்சியை நிகழ்த்தும் திறன் கொண்டது. இந்த சுழற்சி ஐந்து படிகளில் நடைபெறுகிறது. டிரிப்டைசீன் பகுதியின் மீது இருக்கும் அமீன் குழு பாஸ்ஜீன் (அ) உடன் ஒடுக்கம் மூலம் ஒரு ஐசோசயனேட் குழுவாக மாற்றப்படுகிறது. மத்திய பிணைப்பைச் சுற்றி வெப்ப அல்லது தன்னிச்சையான சுழற்சி பின்னர் ஹெலிசீன் பகுதி (பி) இல் அமைந்துள்ள ஹைட்ராக்சில் குழுவின் அருகாமையில் ஐசோசயனேட் குழுவைக் கொண்டுவருகிறது, இதன் மூலம் இந்த இரண்டு குழுக்களும் ஒருவருக்கொருவர் வினைபுரிய அனுமதிக்கின்றன (சி). இந்த எதிர்வினை மாற்ற முடியாத வகையில் அமைப்பை ஒரு அழுத்தப்பட்ட சுழற்சி யூரேத்தேனாக சிக்க வைக்கிறது, இது ஆற்றலில் அதிகமாக உள்ளது, இதனால் அசல் நிலையை விட சுழற்சி ஆற்றல் தடைக்கு ஆற்றல் ரீதியாக நெருக்கமாக உள்ளது. எனவே டிரிப்டைசின் பகுதியின் மேலும் சுழற்சிக்கு இந்த தடையை கடக்க ஒப்பீட்டளவில் சிறிய அளவு வெப்ப செயல்பாடு மட்டுமே தேவைப்படுகிறது, இதன் மூலம் திரிபு (டி) வெளியிடப்படுகிறது. இறுதியாக, யூரேத்தேன் குழுவின் பிளவு மூலக்கூறின் (ஈ) அமைன் மற்றும் ஆல்கஹால் செயல்பாடுகளை மீட்டெடுக்கிறது. நிகழ்வுகளின் இந்த வரிசையின் விளைவாக ஹெலிசின் பகுதியைப் பொறுத்தவரை டிரிப்டைசின் பகுதியின் ஒரு திசை 120 டிகிரி சுழற்சி ஆகும். டிரிப்டைசீன் சுழற்சியின் கூடுதல் முன்னோக்கி அல்லது பின்தங்கிய சுழற்சி ஹெலிசீன் பகுதியால் தடுக்கப்படுகிறது, இது ஒரு ராட்செட்டின் பவுலைப் போன்ற செயல்பாட்டைச் செய்கிறது. ஹெலிசின் பகுதியின் சமச்சீரற்ற வளைவு மற்றும் c இல் உருவாகும் சுழற்சி யூரேத்தேனின் திரிபு ஆகிய இரண்டின் விளைவாக இந்த அமைப்பின் ஒருதலைப்பட்சத்தன்மை ஏற்படுகிறது. இந்த திரிபு d இல் உள்ள டிரிப்டைசின் ரோட்டரின் கடிகார திசையில் சுழற்றுவதன் மூலம் மட்டுமே குறைக்கப்பட முடியும், ஏனெனில் எதிரெதிர் சுழற்சி மற்றும் d இன் தலைகீழ் செயல்முறை இரண்டும் ஆற்றல் ரீதியாக சாதகமற்றவை. இந்த வகையில் சுழற்சி திசையின் விருப்பம் செயல்பாட்டுக் குழுக்களின் நிலைகள் மற்றும் ஹெலிசீனின் வடிவம் ஆகிய இரண்டாலும் தீர்மானிக்கப்படுகிறது, இதனால் வெளிப்புற காரணிகளால் கட்டளையிடப்படுவதற்குப் பதிலாக மூலக்கூறின் வடிவமைப்பில் கட்டமைக்கப்பட்டுள்ளது. கெல்லி மற்றும் சக ஊழியர்களின் மோட்டார் கட்டுப்படுத்தப்பட்ட, ஒரு திசை சுழற்சி இயக்கத்தைத் தூண்டுவதற்கு இரசாயன ஆற்றலை எவ்வாறு பயன்படுத்தலாம் என்பதற்கு ஒரு நேர்த்தியான எடுத்துக்காட்டு, இது பல செயல்முறைகளுக்கு எரிபொருளாக உயிரினங்களில் ஏடிபி நுகர்வு ஒத்த ஒரு செயல்முறையாகும். இருப்பினும், இது ஒரு கடுமையான குறைபாட்டால் பாதிக்கப்படுகிறதுஃ 120 டிகிரி சுழற்சிக்கு வழிவகுக்கும் நிகழ்வுகளின் வரிசை மீண்டும் மீண்டும் செய்ய முடியாது. எனவே கெல்லியும் சக ஊழியர்களும் இந்த அமைப்பை விரிவுபடுத்துவதற்கான வழிகளைத் தேடினர், இதனால் இந்த வரிசையை மீண்டும் மீண்டும் மேற்கொள்ள முடியும். துரதிர்ஷ்டவசமாக, இந்த நோக்கத்தை நிறைவேற்றுவதற்கான அவர்களின் முயற்சிகள் வெற்றிபெறவில்லை, தற்போது இந்த திட்டம் கைவிடப்பட்டுள்ளது. 2016 ஆம் ஆண்டில் டேவிட் லேயின் குழு முதல் தன்னாட்சி வேதியியல் எரிபொருள் செயற்கை மூலக்கூறு மோட்டாரைக் கண்டுபிடித்தது. செயற்கை வேதியியல் ரீதியாக இயக்கப்படும் சுழல் மூலக்கூறு மோட்டார்களின் வேறு சில எடுத்துக்காட்டுகள், அவை அனைத்தும் வினைப்பொருள்களின் தொடர்ச்சியான கூட்டல் மூலம் செயல்படுகின்றன, இதில் சிரல் வினைப்பொருள்களைப் பயன்படுத்துவதன் மூலம் ஒரு ரேசிமிக் பயரில் லாக்டோனின் ஸ்டீரியோசெலெக்டிவ் வளையத் திறப்பைப் பயன்படுத்துவது உட்பட, இதன் விளைவாக ஒரு ஆரில் மற்ற ஆரிலைப் பொறுத்து 90 டிகிரி சுழற்சி செய்யப்படுகிறது. இந்த அணுகுமுறையைத் தொடர்ந்து கூடுதல் வளைய மூடும் படி, மீண்டும் மீண்டும் செய்ய முடியாத 180 டிகிரி சுழற்சியை அடைய பயன்படுத்தப்படலாம் என்று ப்ராஞ்சாட் மற்றும் சக ஊழியர்கள் தெரிவித்துள்ளனர். ஃபெரிங்கா மற்றும் சக ஊழியர்கள் 360 டிகிரி சுழற்சியை மீண்டும் மீண்டும் செய்யக்கூடிய ஒரு மூலக்கூறின் வடிவமைப்பில் இந்த அணுகுமுறையைப் பயன்படுத்தினர். இந்த மூலக்கூறு மோட்டரின் முழு சுழற்சி நான்கு நிலைகளில் நடைபெறுகிறது. ஹெலிக்ஸ் தலைகீழ் சாத்தியம் என்றாலும், ஏ மற்றும் சி நிலைகளில் ஆரில் பகுதியின் சுழற்சி கட்டுப்படுத்தப்படுகிறது. பி மற்றும் டி நிலைகளில் ஆரில் நாஃப்தலீனைப் பொறுத்து ஸ்டெரிக் தொடர்புகளுடன் சுழற்ற முடியும், ஆரில் நாஃப்தலீனை கடந்து செல்வதைத் தடுக்கிறது. சுழற்சி சுழற்சி நான்கு வேதியியல் தூண்டப்பட்ட படிகளைக் கொண்டுள்ளது, இது ஒரு கட்டத்தை அடுத்த கட்டமாக மாற்றுவதை உணர்கிறது. படிகள் 1 மற்றும் 3 சமச்சீரற்ற வளைய திறப்பு எதிர்வினைகள் ஆகும், அவை ஆரிலின் சுழற்சியின் திசையைக் கட்டுப்படுத்த ஒரு சிரல் வினைப்பொருளைப் பயன்படுத்துகின்றன. படி 2 மற்றும் 4 பினோலின் பாதுகாப்பிழப்பு, அதைத் தொடர்ந்து ரெஜியோசெலெக்டிவ் வளைய உருவாக்கம் ஆகியவற்றைக் கொண்டுள்ளன. 1999 ஆம் ஆண்டில் நெதர்லாந்தின் க்ரோனிங்கன் பல்கலைக்கழகத்தில் பேராசிரியர் டாக்டர் பென் எல். ஃபெரிங்காவின் ஆய்வகத்தில் ஒரு திசை மூலக்கூறு ரோட்டார் உருவாக்கப்பட்டது குறித்து தெரிவிக்கப்பட்டது. அவற்றின் 360 டிகிரி மூலக்கூறு மோட்டார் அமைப்பு ஆல்க்கீன் இரட்டைப் பிணைப்பால் இணைக்கப்பட்ட ஒரு பிஸ்-ஹெலிசீனைக் கொண்டுள்ளது, இது அச்சு சிராலிட்டியைக் காட்டுகிறது மற்றும் இரண்டு ஸ்டீரியோசென்டர்களைக் கொண்டுள்ளது. ஒரு திசை சுழற்சியின் ஒரு சுழற்சி 4 எதிர்வினை படிகளை எடுக்கும். முதல் படி டிரான்ஸ் (பி, பி) ஐசோமர் 1 இன் சிஸ் (எம், எம்) 2 க்கு குறைந்த வெப்பநிலை வெப்பமண்டல ஒளிச்சேர்க்கை ஆகும், இதில் பி என்பது வலது கை ஹெலிக்ஸையும் எம் என்பது இடது கை ஹெலிக்ஸையும் குறிக்கிறது. இந்த செயல்பாட்டில், இரண்டு அச்சு மெத்தில் குழுக்கள் இரண்டு குறைவான ஸ்டெரிகல் சாதகமான பூமத்திய ரேகை மெத்தில் குழுக்களாக மாற்றப்படுகின்றன. வெப்பநிலையை 20 டிகிரி செல்சியஸாக அதிகரிப்பதன் மூலம் இந்த மெத்தில் குழுக்கள் ஒரு ஹெலிக்ஸ் தலைகீழாக (பி, பி) சிஸ் அச்சு குழுக்களாக (3) வெப்பமண்டலமாக மாற்றப்படுகின்றன. பூமத்திய ரேகை ஐசோமரை விட அச்சு ஐசோமர் மிகவும் நிலையானதாக இருப்பதால், தலைகீழ் சுழற்சி தடுக்கப்படுகிறது. இரண்டாவது ஃபோட்டோ ஐசோமெரைசேஷன் (பி, பி) சிஸ் 3 ஐ (எம், எம்) டிரான்ஸ் 4 ஆக மாற்றுகிறது, மீண்டும் ஸ்டெரிகலாக சாதகமற்ற பூமத்திய ரேகை மெத்தில் குழுக்களின் உருவாக்கத்துடன். 60 டிகிரி செல்சியஸில் ஒரு வெப்ப ஐசோமெரைசேஷன் செயல்முறை 360 டிகிரி சுழற்சியை மீண்டும் அச்சு நிலைகளுக்கு மூடுகிறது. இந்த அமைப்புகளில் முழுமையான சுழற்சிக்கான நீண்ட எதிர்வினை நேரம் கடக்க வேண்டிய ஒரு பெரிய தடையாகும், இது உயிரியல் அமைப்புகளில் மோட்டார் புரதங்களால் காட்டப்படும் சுழற்சி வேகத்துடன் ஒப்பிடப்படுவதில்லை. இன்றுவரை மிக வேகமான அமைப்பில், ஒரு ஃப்ளோரின் கீழ் பாதியுடன், வெப்ப ஹெலிக்ஸ் தலைகீழ் அரை ஆயுள் 0.005 வினாடிகள் ஆகும். இந்த கலவை பார்டன்-கெல்லாக் எதிர்வினையைப் பயன்படுத்தி ஒருங்கிணைக்கப்படுகிறது. இந்த மூலக்கூறில் அதன் சுழற்சியின் மெதுவான படி, வெப்பத்தால் தூண்டப்பட்ட ஹெலிக்ஸ்-தலைகீழ், மிக விரைவாக தொடரும் என்று நம்பப்படுகிறது, ஏனெனில் பெரிய டெர்ட்-பியூட்டைல் குழு மெத்தில் குழுவைப் பயன்படுத்துவதை விட நிலையற்ற ஐசோமரை இன்னும் குறைவான நிலையானதாக ஆக்குகிறது. ஏனென்றால், ஹெலிக்ஸ்-இன்வெர்ஷனுக்கு வழிவகுக்கும் இடைநிலை நிலையை விட நிலையற்ற ஐசோமர் மிகவும் சீர்குலைந்துள்ளது. இரண்டு மூலக்கூறுகளின் வேறுபட்ட நடத்தை ஒரு டெர்ட்-பியூட்டைல் குழுவிற்கு பதிலாக ஒரு மெத்தில் குழுவுடன் கூடிய சேர்மத்தின் அரை ஆயுள் நேரம் 3.2 நிமிடங்கள் என்ற உண்மையால் விளக்கப்படுகிறது. ஃபெரிங்கா கொள்கை ஒரு முன்மாதிரி நானோகாரில் இணைக்கப்பட்டுள்ளது. ஒருங்கிணைக்கப்பட்ட இந்த கார் ஒலிகோ (ஃபெனைலீன் எத்தனைலீன்) சேஸ் மற்றும் நான்கு கார்போரேன் சக்கரங்களுடன் ஹெலிகீனில் இருந்து பெறப்பட்ட இயந்திரத்தைக் கொண்டுள்ளது, மேலும் ஸ்கேனிங் டன்னலிங் நுண்ணோக்கி கண்காணிப்புடன் திடமான மேற்பரப்பில் நகர முடியும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது, இருப்பினும் இது இதுவரை காணப்படவில்லை. மோட்டார் முழு சக்கரங்களுடன் செயல்படாது, ஏனெனில் அவை மோட்டார் பகுதியின் ஒளி வேதியியலைத் தணிக்கின்றன. திடமான மேற்பரப்புகளுடன் வேதியியல் ரீதியாக இணைக்கப்படும்போது ஃபெரிங்கா மோட்டார்கள் செயல்படுவதாகக் காட்டப்பட்டுள்ளது. சமச்சீரற்ற வினையூக்கியாக செயல்படும் சில ஃபெரிங்கா அமைப்புகளின் திறனும் நிரூபிக்கப்பட்டுள்ளது. 2016 ஆம் ஆண்டில், ஃபெரிங்காவுக்கு மூலக்கூறு மோட்டார்கள் குறித்த அவரது பணிக்காக நோபல் பரிசு வழங்கப்பட்டது. ஒற்றை மூலக்கூறு மின்சார மோட்டாரின் சோதனை ஆர்ப்பாட்டம் n-பியூட்டைல் மெத்தில் சல்பைடு (C5H12S) இன் ஒற்றை மூலக்கூறிலிருந்து தயாரிக்கப்பட்ட ஒற்றை மூலக்கூறு மின்சாரத்தால் இயக்கப்படும் மோட்டார் பதிவாகியுள்ளது. மூலக்கூறு வேதியியல் உறிஞ்சுதல் மூலம் ஒரு செம்பு (111) ஒற்றை படிக துண்டில் உறிஞ்சப்படுகிறது. மேலும் காண்க மூலக்கூறு இயந்திரம் மூலக்கூறு மோட்டார்கள் மூலக்கூறு உந்துசக்தி நானோமோட்டர் குறிப்புகள் நானோ தொழில்நுட்பம் மூலக்கூறு இயந்திரங்கள்