Synthetic molecular motor
مصنوعی سالماتی موٹرز سالماتی مشینیں ہیں جو توانائی کے ان پٹ کے تحت مسلسل دشاتمک گردش کرنے کی صلاحیت رکھتی ہیں۔ اگرچہ "مالیکیولر موٹر" کی اصطلاح روایتی طور پر قدرتی طور پر پائے جانے والے پروٹین کا حوالہ دیتی ہے جو حرکت کو جنم دیتا ہے (پروٹین ڈائنامکس کے ذریعے)، کچھ گروپ غیر حیاتیاتی، غیر پیپٹائڈ مصنوعی موٹروں کا حوالہ دیتے وقت بھی اس اصطلاح کا استعمال کرتے ہیں۔ بہت سے کیمسٹ اس طرح کے مالیکیولر موٹروں کی ترکیب کا تعاقب کر رہے ہیں۔ مصنوعی موٹر کے لیے بنیادی ضروریات تکراری 360° حرکت، توانائی کی کھپت اور یک طرفہ گردش ہیں۔ اس سمت میں پہلی دو کوششیں، ساتھی کارکنوں کے ساتھ بوسٹن کالج کے ڈاکٹر ٹی راس کیلی کی کیمیائی طور پر چلنے والی موٹر اور بین فیرنگا اور ساتھی کارکنوں کی روشنی سے چلنے والی موٹر، نیچر کے اسی شمارے میں 1999 میں شائع ہوئی تھیں۔ 2020 تک، سب سے چھوٹی جوہری طور پر عین مطابق سالماتی مشین میں ایک روٹر ہوتا ہے جو چار ایٹموں پر مشتمل ہوتا ہے۔ کیمیائی طور پر چلنے والی روٹری مالیکیولر موٹرز کیلی اور ساتھی کارکنوں نے 1999 میں مصنوعی کیمیائی طور پر چلنے والی روٹری مالیکیولر موٹر کے پروٹو ٹائپ کی ایک مثال رپورٹ کی تھی۔ ان کا نظام تین بلیڈ والے ٹرپٹیسین روٹر اور ایک ہیلیسین سے بنا ہے، اور یہ یک طرفہ 120° گردش انجام دینے کی صلاحیت رکھتا ہے۔ یہ گردش پانچ مراحل میں ہوتی ہے۔ ٹرپٹیسین کے حصے پر موجود امین گروپ کو فاسجین (اے) کے ساتھ گاڑھا کرکے آئسوکیانیٹ گروپ میں تبدیل کیا جاتا ہے۔ مرکزی بند کے ارد گرد تھرمل یا بے ساختہ گردش پھر آئسوکیانیٹ گروپ کو ہیلیسین موئٹی (بی) پر واقع ہائیڈروکسیل گروپ کے قریب لاتا ہے، اس طرح ان دونوں گروپوں کو ایک دوسرے کے ساتھ تعامل کرنے کی اجازت دیتا ہے (سی)۔ یہ تعامل ناقابل واپسی طور پر نظام کو ایک تناؤ والے چکور یوریتھین کے طور پر پھنساتا ہے جو توانائی میں زیادہ ہوتا ہے اور اس طرح توانائی کے لحاظ سے اصل حالت کے مقابلے میں گردش توانائی کی رکاوٹ کے قریب ہوتا ہے۔ اس لیے ٹرپٹیسین کے حصے کی مزید گردش کے لیے اس رکاوٹ پر قابو پانے کے لیے صرف نسبتا کم مقدار میں تھرمل ایکٹیویشن کی ضرورت ہوتی ہے، جس سے تناؤ (ڈی) خارج ہوتا ہے۔ آخر میں، یوریتھین گروپ کا پھٹنا مالیکیول (ای) کی امین اور الکحل کی فعالیت کو بحال کرتا ہے۔ واقعات کی اس ترتیب کا نتیجہ ہیلیسین موئٹی کے حوالے سے ٹرپٹیسین موئٹی کی یک طرفہ 120° گردش ہے۔ ٹرپٹیسین روٹر کی اضافی آگے یا پیچھے کی گردش کو ہیلیسین موئٹی سے روکا جاتا ہے، جو ریچیٹ کے پال کی طرح کام کرتا ہے۔ نظام کی یک جہتی ہیلیسین موئٹی کے غیر متناسب منحنی خطوط اور c میں بننے والے چکور یوریتھین کے تناؤ دونوں کا نتیجہ ہے۔ اس تناؤ کو صرف d میں ٹرپٹیسین روٹر کی گھڑی کی سمت میں گردش سے کم کیا جا سکتا ہے، کیونکہ گھڑی کی مخالف سمت میں گردش کے ساتھ ساتھ d کا الٹا عمل بھی توانائی کے لحاظ سے ناموافق ہے۔ اس سلسلے میں گردش کی سمت کے لیے ترجیح کا تعین فعال گروپوں کی پوزیشن اور ہیلیسین کی شکل دونوں سے ہوتا ہے اور اس طرح بیرونی عوامل کے بجائے مالیکیول کے ڈیزائن میں بنایا جاتا ہے۔ کیلی اور ساتھی کارکنوں کی موٹر اس بات کی ایک خوبصورت مثال ہے کہ کس طرح کیمیائی توانائی کو کنٹرول شدہ، یک طرفہ گردش حرکت کو فروغ دینے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے، یہ ایک ایسا عمل ہے جو متعدد عملوں کو ایندھن دینے کے لیے حیاتیات میں اے ٹی پی کی کھپت سے ملتا جلتا ہے۔ تاہم، یہ ایک سنگین خرابی کا شکار ہے: 120° گردش کی طرف لے جانے والے واقعات کا سلسلہ قابل تکرار نہیں ہے۔ اس لیے کیلی اور ساتھی کارکنوں نے نظام کو بڑھانے کے طریقے تلاش کیے ہیں تاکہ اس ترتیب کو بار بار انجام دیا جا سکے۔ بدقسمتی سے، اس مقصد کو پورا کرنے کی ان کی کوششیں کامیاب نہیں ہوئیں اور فی الحال اس منصوبے کو ترک کر دیا گیا ہے۔ 2016 میں ڈیوڈ لی کے گروپ نے پہلی خود مختار کیمیائی ایندھن والی مصنوعی سالماتی موٹر ایجاد کی۔ مصنوعی کیمیائی طور پر چلنے والی روٹری مالیکیولر موٹروں کی کچھ دوسری مثالیں جو تمام ریجینٹس کے ترتیب وار اضافے سے کام کرتی ہیں، رپورٹ کی گئی ہیں، بشمول چیرل ریجینٹس کے استعمال سے ریسیمک بیریل لییکٹون کے سٹیریو سلیکٹو رنگ اوپننگ کا استعمال، جس کے نتیجے میں دوسرے ایرل کے حوالے سے ایک ایرل کی 90° گردش ہوتی ہے۔ برانچاوڈ اور ساتھی کارکنوں نے اطلاع دی ہے کہ یہ نقطہ نظر، جس کے بعد ایک اضافی رنگ بند کرنے کا مرحلہ ہوتا ہے، غیر تکراری 180° گردش کو پورا کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ فیرنگا اور ساتھی کارکنوں نے اس نقطہ نظر کو اپنے مالیکیول کے ڈیزائن میں استعمال کیا جو بار بار 360 ڈگری گردش انجام دے سکتا ہے۔ اس سالماتی موٹر کی مکمل گردش چار مراحل میں ہوتی ہے۔ مراحل A اور C میں ایرل موئٹی کی گردش محدود ہے، حالانکہ ہیلکس الٹنا ممکن ہے۔ مراحل بی اور ڈی میں ایرل نیفتھلین کے حوالے سے گھوم سکتا ہے جس میں سٹیریک تعاملات ہوتے ہیں جو ایرل کو نیفتھلین کو گزرنے سے روکتے ہیں۔ روٹری سائیکل کیمیائی طور پر پیدا ہونے والے چار مراحل پر مشتمل ہوتا ہے جو ایک مرحلے کو دوسرے مرحلے میں تبدیل کرنے کا احساس دلاتے ہیں۔ مراحل 1 اور 3 غیر متناسب رنگ اوپننگ رد عمل ہیں جو ایرل کی گردش کی سمت کو کنٹرول کرنے کے لیے چیرل ریجینٹ کا استعمال کرتے ہیں۔ مراحل 2 اور 4 فینول کی تخفیف پر مشتمل ہوتے ہیں، اس کے بعد ریجیوسلیکٹو رنگ کی تشکیل ہوتی ہے۔ ہلکے سے چلنے والی روٹری مالیکیولر موٹرز 1999 میں نیدرلینڈز کی یونیورسٹی آف گروننگن میں پروفیسر ڈاکٹر بین ایل فیرنگا کی لیبارٹری نے ایک یک طرفہ مالیکیولر روٹر کی تخلیق کی اطلاع دی۔ ان کا 360° سالماتی موٹر نظام ایک بیس-ہیلیسین پر مشتمل ہوتا ہے جو ایک الکین ڈبل بانڈ سے جڑا ہوتا ہے جو محوری چیرالیٹی کو ظاہر کرتا ہے اور اس میں دو سٹیریو سینٹر ہوتے ہیں۔ یک طرفہ گردش کا ایک چکر رد عمل کے 4 مراحل لیتا ہے۔ پہلا مرحلہ ٹرانس (پی، پی) آئسومر 1 سے سیس (ایم، ایم) 2 کی کم درجہ حرارت والی اینڈوتھرمک فوٹو آئسومیرائزیشن ہے جہاں پی کا مطلب دائیں ہاتھ والی ہیلکس اور ایم کا مطلب بائیں ہاتھ والی ہیلکس ہے۔ اس عمل میں، دو محوری میتھائل گروپوں کو دو کم مستحکم طور پر سازگار استوائی میتھائل گروپوں میں تبدیل کیا جاتا ہے۔ درجہ حرارت کو 20 ڈگری سیلسیس تک بڑھا کر یہ میتھائل گروپ ہیلکس الٹ میں ایکسوتھرملی طور پر (P, P) cis محوری گروپوں (3) میں تبدیل ہو جاتے ہیں۔ چونکہ محوری آئسومر استوائی آئسومر سے زیادہ مستحکم ہے، اس لیے الٹا گردش کو روک دیا جاتا ہے۔ دوسرا فوٹو آئسومیرائزیشن (پی، پی) سی آئی ایس 3 کو (ایم، ایم) ٹرانس 4 میں تبدیل کرتا ہے، ایک بار پھر مستحکم طور پر ناموافق استوائی میتھائل گروپوں کی تشکیل کے ساتھ۔ 60 ڈگری سیلسیس پر تھرمل آئسومیرائزیشن کا عمل 360 ڈگری سائیکل کو واپس محوری پوزیشنوں پر بند کر دیتا ہے۔ ان نظاموں میں مکمل گردش کے لیے طویل رد عمل کا وقت ایک بڑی رکاوٹ ہے، جو حیاتیاتی نظاموں میں موٹر پروٹین کے ذریعے ظاہر ہونے والی گردش کی رفتار سے موازنہ نہیں کرتا ہے۔ آج تک کے تیز ترین نظام میں، فلورین کے نچلے نصف کے ساتھ، تھرمل ہیلکس الٹ کی نصف زندگی 0.005 سیکنڈ ہے۔ یہ مرکب بارٹن-کیلوگ رد عمل کا استعمال کرتے ہوئے ترکیب کیا جاتا ہے۔ اس مالیکیول میں اس کی گردش کا سب سے سست قدم، تھرمل طور پر متاثر ہیلکس-الٹ، کے بارے میں خیال کیا جاتا ہے کہ وہ بہت تیزی سے آگے بڑھتا ہے کیونکہ بڑا ٹیرٹ-بیوٹل گروپ غیر مستحکم آئسومر کو میتھائل گروپ کے استعمال کے مقابلے میں اور بھی کم مستحکم بناتا ہے۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ غیر مستحکم آئسومر منتقلی کی حالت سے زیادہ غیر مستحکم ہوتا ہے جو ہیلکس-الٹ کی طرف جاتا ہے۔ دونوں مالیکیولز کے مختلف رویے کو اس حقیقت سے واضح کیا جاتا ہے کہ ٹرٹ بیوٹل گروپ کے بجائے میتھائل گروپ والے مرکب کے لیے نصف زندگی کا وقت 3.2 منٹ ہے۔ فیرنگا اصول کو ایک پروٹو ٹائپ نینوکار میں شامل کیا گیا ہے۔ ترکیب شدہ کار میں ہیلیسین سے ماخوذ انجن ہے جس میں اولیگو (فینیلین ایتھینیلین) چیسیس اور چار کاربورن پہیے ہیں اور توقع ہے کہ یہ اسکیننگ ٹنلنگ مائکروسکوپی کی نگرانی کے ساتھ ٹھوس سطح پر حرکت کر سکے گی، حالانکہ ابھی تک اس کا مشاہدہ نہیں کیا گیا ہے۔ موٹر فلرین پہیوں کے ساتھ کام نہیں کرتی کیونکہ وہ موٹر کے حصے کی فوٹو کیمسٹری کو بجھاتے ہیں۔ ٹھوس سطحوں سے کیمیائی طور پر منسلک ہونے پر فیرنگا موٹرز کو بھی فعال رہنے کے لیے دکھایا گیا ہے۔ بعض فیرنگا نظاموں کی غیر متناسب اتپریرک کے طور پر کام کرنے کی صلاحیت کا بھی مظاہرہ کیا گیا ہے۔ 2016 میں، فیرنگا کو مالیکیولر موٹروں پر ان کے کام کے لیے نوبل انعام سے نوازا گیا۔ سنگل مالیکیول الیکٹرک موٹر کا تجرباتی مظاہرہ این-بیوٹل میتھائل سلفایڈ (C5H12S) کے واحد مالیکیول سے بنی ایک واحد مالیکیول برقی طور پر چلنے والی موٹر کی اطلاع دی گئی ہے۔ یہ مالیکیول کیمیا جذب کے ذریعے تانبے (111) واحد کرسٹل کے ٹکڑے پر جذب کیا جاتا ہے۔ سالماتی مشین سالماتی موٹرز سالماتی پروپیلر نانوموٹر حوالہ جات نینو ٹیکنالوجی سالماتی مشینیں بھی دیکھیں۔