विशाल अणुकणिका रसायन शास्त्र

अतिआण्विक रसायन, रसायन की उस शाखा को संदर्भित करती है जो अणुओं की असतत संख्या से बनी रासायनिक प्रणालियों से संबंधित है। प्रणाली के स्थानिक संगठन के लिए अधीन बलों की सामर्थ्य दुर्बल अंतर-आणविक बलों, विद्युत् स्थैतिक आवेश, या हाइड्रोजन बंध से लेकर प्रबल सहसंयोजक बंधन तक होती है, परंतु घटक के ऊर्जा मापदंडों के सापेक्ष इलेक्ट्रॉनिक युग्मन शक्ति कम हो।  जबकि पारंपरिक रसायन सहसंयोजक बंधन पर ध्यान केंद्रित करता है, अतिआण्विक रसायन अणुओं के बीच दुर्बल और प्रतिवर्ती गैर-सहसंयोजक अंतःक्रियाओं की जांच करता है। इन बलों में हाइड्रोजन बंध, समन्वय सम्मिश्रण, जलभीत प्रभाव, वैन डेर वाल्स बल, pi–pi परस्पर क्रिया और विद्युत् स्थैतिक प्रभाव सम्मिलित हैं।

अतिआण्विक रसायन द्वारा उन्नत महत्वपूर्ण अवधारणाओं में आणविक स्व-संयोजन, आणविक वलन (रसायन), आणविक पहचान, होस्ट-गेस्ट रसायन, यांत्रिक रूप से अंतरबद्ध आणविक संरचना और गतिशील सहसंयोजक रसायन सम्मिलित हैं। संरचना और कार्य के लिए इन बलों पर निर्भर होने वाली कई जैविक प्रक्रियाओं को समझने के लिए गैर-सहसंयोजक परस्पर क्रिया का अध्ययन महत्वपूर्ण है। जैविक प्रणाली प्रायः अतिआण्विक अनुसंधान के लिए प्रेरणा होती है।

इतिहास
अंतर-आणविक बलों की स्थिति को पहली बार 1873 में जोहान्स डिडेरिक वैन डेर वाल्स द्वारा अभिगृहीत किया गया था। हालांकि, नोबेल पुरस्कार विजेता हरमन एमिल फिशर ने अतिआण्विक रसायन की दार्शनिक जड़ें विकसित कीं। 1894 में, फिशर ने सुझाव दिया कि एंजाइम-कार्यद्रव परस्पर क्रिया करके  लॉक एण्ड की  का रूप लेते हैं, आणविक पहचान और होस्ट-गेस्ट रसायन के मौलिक सिद्धांत है। बीसवीं शताब्दी के प्रारंभ में गैर-सहसंयोजक बंधनों को धीरे-धीरे और अधिक विस्तार से समझा गया, 1920 में वेंडेल मिशेल लैटिमर और रोडबुश द्वारा हाइड्रोजन बंधन का वर्णन किया गया।

इन सिद्धांतों के उपयोग से प्रोटीन संरचना और अन्य जैविक प्रक्रियाओं की समझ में वृद्धि हुई। उदाहरण के लिए, महत्वपूर्ण सफलता जिसने DNA की दोहरी सर्पिल संरचना की व्याख्या की स्वीकृति दी, जब यह सिद्ध किया गया कि हाइड्रोजन बंध के माध्यम से जुड़े न्यूक्लियोटाइड के दो अलग-अलग तन्तु हैं। प्रतिकृति के लिए गैर-सहसंयोजक बंधों का उपयोग आवश्यक है क्योंकि वे तन्तु को अलग करने की स्वीकृति देते हैं और नए दोहरे तंतु DNA को टेम्प्लेट करने के लिए उपयोग किया जाता है। सहवर्ती रूप से, रसायनज्ञों ने गैर-सहसंयोजक अंतःक्रियाओं, जैसे कणपुंज और सूक्ष्मपायास के आधार पर संश्लेषिक संरचनाओं को पहचानना और उनका अध्ययन करना प्रारंभ किया।

अंततः, रसायनज्ञ इन अवधारणाओं को लेने और उन्हें संश्लेषिक प्रणाली पर लागू करने में सक्षम थे। 1960 के दशक में चार्ल्स जे. पेडरसन द्वारा क्राउन ईथर के संश्लेषण के साथ सफलता मिली। इस कार्य के बाद, अन्य शोधकर्ता जैसे डोनाल्ड जे. क्रैम, जीन-मैरी लेह्न और फ्रिट्ज़ वोगल आकार- और आयन-चयनात्मक संग्राहक को संश्लेषित करने में सक्रिय हो गए, और 1980 के दशक के समय इस क्षेत्र में अनुसंधान ने यांत्रिक रूप से अंतरबद्ध आण्विक संरचना जैसी अवधारणाओं के साथ तीव्र गति प्राप्त की।

अतिआण्विक रसायन के महत्व को 1987 में रसायन के नोबेल पुरस्कार द्वारा स्थापित किया गया था, जिसे डोनाल्ड जे. क्रैम, जीन-मैरी लेह्न और चार्ल्स जे. पेडर्सन को इस क्षेत्र में उनके कार्य की स्वीकृति के लिए प्रदान किया गया था। विशेष रूप से चयनात्मक  होस्ट-गेस्ट  सम्मिश्रणों का विकास, जिसमें एक होस्ट अणु एक निश्चित गेस्ट को पहचानता है और चयनात्मक रूप से बांधता है, एक महत्वपूर्ण योगदान के रूप में उद्धृत किया गया था।

1990 के दशक में, अतिआण्विक रसायन और भी अधिक परिष्कृत हो गई, जेम्स फ्रेजर स्टोडार्ट जैसे शोधकर्ताओं ने आणविक यंत्रवत अत्यधिक जटिल स्व-संकलित संरचनाओं का विकास किया, और इटामार विलनर ने संवेदक और इलेक्ट्रॉनिक और जैविक अंतराफलक के तरीके विकसित किए। इस अवधि के समय, कार्यक्षमता बढ़ाने के लिए विद्युत रासायनिक और प्रकाश रसायन रूपांकनों को अतिआण्विक प्रणाली में एकीकृत किया गया, संश्लेषिक स्व-प्रतिकृति प्रणाली में अनुसंधान प्रारंभ हुआ और आणविक सूचना प्रसंस्करण उपकरणों पर कार्य प्रारंभ हुआ। अतिसूक्ष्म प्रौद्योगिकी के उभरते विज्ञान का भी इस विषय पर एक प्रबल प्रभाव था, जिसमें फुलरीन, अतिसूक्ष्मकण और डेनड्रीमर जैसे मूलभूत अंग संश्लेषिक प्रणाली में सम्मिलित हो गए थे।

ऊष्मप्रवैगिकी
सुपरमॉलेक्युलर सम्मिश्रण दो रासायनिक अंशों के बीच गैर-सहसंयोजक अंतःक्रियाओं द्वारा बनते हैं, जिन्हें एक होस्ट और एक गेस्ट के रूप में वर्णित किया जा सकता है। सामान्यतः, परस्पर क्रिया करने वाली किस्में हाइड्रोजन बंध द्वारा एक साथ बंधी होती हैं। परिभाषा विद्युत् स्थैतिक परस्पर क्रिया द्वारा निर्मित यौगिकों को बाहर करती है, जिन्हें आयन युग्म कहा जाता है।

मिश्रण में, होस्ट H, गेस्ट G, और सम्मिश्र HpGq, एक दूसरे के साथ संतुलन में होंगे। सरलतम स्थिति में, p=q=1, संतुलन को इस प्रकार लिखा जा सकता है
 * $$H + G \leftrightharpoons HG$$

इस प्रतिक्रिया के लिए संतुलन स्थिरांक का मान K, सिद्धांत रूप में, नीचे वर्णित किसी भी तकनीक द्वारा निर्धारित किया जा सकता है। कुछ उदाहरण निम्न तालिका में दिखाए गए हैं। : गिब्स मुक्त ऊर्जा परिवर्तन, $$\Delta G$$, इस प्रतिक्रिया के लिए तापीय धारिता शब्द का योग $$\Delta H$$, और एक एन्ट्रापी शब्द $$T\Delta S$$.
 * $$\Delta G = \Delta H -T\Delta S$$

समतापीय अनुमापन ऊष्मामिति के माध्यम से दोनों $$\Delta G$$ तथा $$\Delta S$$ मान किसी दिए गए तापमान $$T$$, पर निर्धारित किए जा सकते हैं। उदाहरण के लिए सेस्लर और अन्य देखें। उस उदाहरण में 4 प्रोटोनित नाइट्रोजन परमाणुओं के साथ एक दीर्घचक्री वलय क्लोराइड आयन को घेरता है; स्टीड एंड एटवुड में ITC डेटा और अनुमापन वक्र के चित्रण पुन: प्रस्तुत किए गए हैं। (pp 15-16) संतुलन स्थिरांक का मान और निर्मित वर्ग के उचित-तत्वानुपातिकी दृढ़ता से विलायक-निर्भर पाए गए। नाइट्रोमेथेन मिश्रण के साथ ΔH = 8.55 kJmol−1 का मान और ΔS = -9.1 JK-1 mol-1 प्राप्त हुए थे।

पर्यावरण
अतिआण्विक प्रणाली के आसपास आणविक वातावरण भी इसके संचालन और स्थिरता के लिए प्रमुख महत्व रखता है। कई विलायक में प्रबल हाइड्रोजन बंध, विद्युत् स्थैतिक और आवेश-स्थानांतरण क्षमताएं होती हैं, और इसलिए प्रणाली के साथ जटिल संतुलन में सम्मिलित होने में सक्षम होते हैं, यहां तक ​​कि सम्मिश्र को पूरी तरह से विभंजन करते हैं। इस कारण से विलायक का चयन महत्वपूर्ण हो सकता है।

आण्विक स्व-संयोजन
आणविक स्व-संयोजन बाहरी स्रोत से मार्गदर्शन या प्रबंधन के बिना प्रणाली का निर्माण है (उपयुक्त वातावरण प्रदान करने के अतिरिक्त)। अणुओं को गैर-सहसंयोजक परस्पर क्रिया के माध्यम से एकत्र करने के लिए निर्देशित किया जाता है। स्व-संयोजन को अंतर-आणविक स्व-संयोजन (एक अतिआण्विक संयोजन बनाने के लिए), और अंतरा-आणविक स्व-संयोजन ( या फोल्डमर्स और पॉलीपेप्टाइड्स द्वारा प्रदर्शित वलन) में उप-विभाजित किया जा सकता है। आणविक स्व-संयोजन भी बड़ी संरचनाओं जैसे कि कणपुंज, कोशिका झिल्ली, वायुकोश (जीव विज्ञान), तरल क्रिस्टल के निर्माण की स्वीकृति देता है, और क्रिस्टल अभियांत्रिकी के लिए महत्वपूर्ण है।

आणविक पहचान और जटिलता
आणविक पहचान एक होस्ट-गेस्ट सम्मिश्र बनाने के लिए एक पूरक होस्ट अणु के लिए एक गेस्ट अणु का विशिष्ट बंधन है। प्रायः, कौन सी प्रजाति  होस्ट  है और कौन  गेस्ट  है, इसकी परिभाषा एकपक्षीय है। अणु गैर-सहसंयोजक अंतःक्रियाओं का उपयोग करके एक दूसरे की पहचान करने में सक्षम हैं। इस क्षेत्र के प्रमुख अनुप्रयोग आणविक संवेदक और उत्प्रेरण का निर्माण हैं।

टेम्पलेट-निर्देशित संश्लेषण
रासायनिक प्रतिक्रिया (एक या अधिक सहसंयोजक बंधन बनाने के लिए) के लिए एक प्रणाली को पूर्व-व्यवस्थित करने के लिए आणविक पहचान और स्व-संयोजन का उपयोग प्रतिक्रियाशील प्रजातियो के साथ किया जा सकता है। इसे अतिआण्विक उत्प्रेरक की एक विशेष स्थिति माना जा सकता है। अभिकारकों और एक टेम्पलेट के बीच गैर-सहसंयोजक बंधन अभिकारकों की प्रतिक्रियाशील कार्यस्थलों को एक साथ रखते हैं, वांछित रसायन की सुविधा प्रदान करते हैं। यह तकनीक उन स्थितियों के लिए विशेष रूप से उपयोगी है जहां वांछित प्रतिक्रिया संरूपण ऊष्मागतिक रूप से या गतिज रूप से असंभाव्य है, जैसे कि बड़े दीर्घचक्र की तैयारी में। यह पूर्व-संगठन पार्श्व प्रतिक्रियाओं को कम करने, प्रतिक्रिया की सक्रियण ऊर्जा को कम करने और वांछित त्रिविमरसायन का निर्माण करने जैसे उद्देश्यों को भी पूरा करता है। प्रतिक्रिया होने के बाद, टेम्पलेट जगह पर बना रह सकता है, बलपूर्वक हटा दिया जा सकता है, या प्रतिक्रिया उत्पाद के विभिन्न पहचान गुणों के कारण स्वचालित रूप से विघटित हो सकता है। टेम्प्लेट एकल धातु आयन जितना सरल हो सकता है या अत्यंत जटिल हो सकता है।

यांत्रिक रूप से अंतरबद्ध आणविक संरचना
यंत्रवत् अंतरबद्ध आणविक संरचना में ऐसे अणु होते हैं जो केवल उनके सांस्थिति के परिणाम के रूप में जुड़े होते हैं। कुछ गैर-सहसंयोजक अन्योन्य क्रियाएं विभिन्न घटकों के बीच सम्मिलित हो सकती हैं (प्रायः वे जो प्रणाली के निर्माण में उपयोग किए गए थे), लेकिन सहसंयोजक बंधन नहीं होते हैं। अतिआण्विक रसायन, और विशेष रूप से टेम्पलेट-निर्देशित संश्लेषण, यौगिकों के कुशल संश्लेषण की कुंजी है। यांत्रिक रूप से अंतरबद्ध किए गए आणविक संरचना के उदाहरणों में कैटेनेन, रोटाक्सेन, आणविक ग्रन्थि, आणविक बोरोमियन वलय और रेवल्स सम्मिलित हैं।

गतिशील सहसंयोजक रसायन
गतिशील सहसंयोजक रसायन में सहसंयोजक बंधन टूट जाते हैं और ऊष्मागतिक ताप नियंत्रण के अधीन एक प्रतिवर्ती प्रतिक्रिया में बनते हैं। जबकि सहसंयोजक बंधन प्रक्रिया के लिए महत्वपूर्ण हैं, प्रणाली को गैर-सहसंयोजक बलों द्वारा निम्नतम ऊर्जा संरचनाओं को बनाने के लिए निर्देशित किया जाता है।

बायोमेटिक्स
कई संश्लेषिक अतिआण्विक प्रणाली जैविक प्रणालियों के कार्यों की अनुकृति करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। इन बायोमिमेटिक संरचना का उपयोग जैविक मॉडल और संश्लेषिक कार्यान्वयन दोनों के बारे में जानने के लिए किया जा सकता है। उदाहरणों में प्रकाशविद्युतरासायनिक प्रणाली, उत्प्रेरक प्रणाली, प्रोटीन डिजाइन और स्व-प्रतिकृति सम्मिलित हैं।

अनुमुद्रण
आणविक अनुमुद्रण एक ऐसी प्रक्रिया का वर्णन करती है जिसके द्वारा एक टेम्पलेट के रूप में उपयुक्त आणविक वर्गों का उपयोग करके छोटे अणुओं से एक होस्ट का निर्माण किया जाता है। निर्माण के बाद, केवल होस्ट को छोड़कर टेम्पलेट को हटा दिया जाता है। होस्ट निर्माण के लिए टेम्पलेट उस गेस्ट से सूक्ष्म रूप से भिन्न हो सकता है जिसे तैयार होस्ट बांधता है। अपने सरलतम रूप में, अनुमुद्रण केवल त्रिविम परस्पर क्रिया का उपयोग करता है, लेकिन अधिक जटिल प्रणालियां बाध्यकारी शक्ति और विशिष्टता को बेहतर बनाने के लिए हाइड्रोजनबंध और अन्य परस्पर क्रिया को भी सम्मिलित करती हैं।

आणविक उपकरण
आणविक उपकरण अणु या आणविक संयोजन हैं जो रैखिक या घूर्णी गति, स्विचिंन और जाल बद्धता जैसे कार्य कर सकती हैं। ये उपकरण अतिआण्विक रसायन और नैनोतकनीकी के बीच की सीमा पर सम्मिलित हैं, और अतिआण्विक अवधारणाओं का उपयोग करके मूलरूप का प्रदर्शन किया गया है। जीन पियरे सॉवेज, फ्रेजर स्टोडार्ट सर जे. फ्रेजर स्टोडार्ट और बर्नार्ड एल. फेरिंगा ने 'आण्विक यंत्रों के डिजाइन और संश्लेषण' के लिए रसायन में 2016 का नोबेल पुरस्कार साझा किया।

मूलभूत अंग
अतिआण्विक प्रणाली शायद ही कभी पहले सिद्धांतों से डिज़ाइन किए गए हों। निːसन्देह, रसायनज्ञों के पास अच्छी तरह से अध्ययन किए गए संरचनात्मक और कार्यात्मक मूलभूत अंग हैं जो कि वे ज्यादा कार्यात्मक संरचना बनाने के लिए उपयोग करने में सक्षम हैं। इनमें से कई समान इकाइयों के पूरे परिवार के रूप में सम्मिलित हैं, जिनमें से यथार्थ अभीष्ट गुणों वाले सादृश को चुना जा सकता है।

संश्लेषिक पहचान रूपांकनों

 * डाइऑक्सीएरेन या डायमिनोएरेनेस के साथ बिपिरिडीन के pi-pi आवेश-स्थानांतरण परस्पर क्रिया का उपयोग यांत्रिक रूप से अंतरबद्ध प्रणाली और क्रिस्टल अभियांत्रिकी के निर्माण के लिए बड़े पैमाने पर किया गया है।
 * धातु या अमोनियम धनायन के साथ बाध्यकारी क्राउन ईथर का उपयोग अतिआण्विक रसायन में सर्वव्यापी है।
 * कार्बोज़ाइलिक अम्ल डिमर (रसायन) और अन्य सरल हाइड्रोजन बंध अन्तः क्रिया का निर्माण करता है।
 * रूथेनियम, सिल्वर या अन्य धातु आयनो के साथ बाइपिरिडाइन या टेरपिरीडीन का समन्वय सम्मिश्रण कई अलग-अलग अणुओं के जटिल संरचना के निर्माण में बहुत उपयोगी है।
 * धातु आयनों के चारों ओर पोर्फिरीन या फथलोसायनिन का संकुलन के अतिरिक्त उत्प्रेरक, प्रकाश रासायनिक और विद्युत गुणों तक पहुंच प्रदान करता है। इन इकाइयों का प्रकृति द्वारा बहुत अधिक उपयोग किया जाता है।

मैक्रोसाइकल
अतिआण्विक रसायन में मैक्रोसाइकिल बहुत उपयोगी होते हैं, क्योंकि वे संपूर्ण गुहा प्रदान करते हैं जो गेस्ट अणुओं को पूरी तरह से घेर सकते हैं और उनके गुणों को ठीक करने के लिए रासायनिक रूप से संशोधित किए जा सकते हैं।
 * साइक्लोडेक्सट्रिन, कैलीक्सेरेन, कुकुर्बिटुरिल और क्राउन ईथर बड़ी मात्रा में आसानी से संश्लेषित होते हैं, और इसलिए अतिआण्विक प्रणाली में उपयोग के लिए सुविधाजनक होते हैं।
 * अधिक जटिल साइक्लोफेन, और क्रिप्टैंड को अधिक अनुरूप पहचान गुण प्रदान करने के लिए संश्लेषित किया जा सकता है।
 * अतिआण्विक धातुचक्र वलय में धातु आयनों के साथ मैक्रोसाइक्लिक संयुक्त हैं, जो प्रायः कोणीय और रैखिक अनुखंड से बनते हैं। इस प्रकार के अनुप्रयोगों में सामान्य धातुचक्र आकृतियों में त्रिकोण, वर्ग और पंचकोण सम्मिलित हैं, प्रत्येक मे कार्यात्मक समूह जो स्वयं-संयोजन के माध्यम से टुकड़ों को जोड़ते हैं।
 * धातुचक्र मेटलोमैक्रोसाइकल हैं जो संगलित कीलेट-वलय से एक समान स्व-संयोजन दृष्टिकोण के माध्यम से उत्पन्न होते हैं।

संरचनात्मक इकाइयां
कई अतिआण्विक प्रणालियों को उनके घटकों को एक दूसरे के सापेक्ष उपयुक्त रिक्ति और अनुरूपता की आवश्यकता होती है, और इसलिए आसानी से नियोजित संरचनात्मक इकाइयों की आवश्यकता होती है।
 * सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले अंतरक और संयोजक समूह में पॉलिथर श्रृंखला, बाइफिनाइल और ट्राइफिनाइल और सरल अल्काइल श्रृंखला सम्मिलित हैं। इन इकाइयों को बनाने और संयोजी के रसायन को अच्छी तरह से समझा जा सकता है।
 * नैनोकणों, नैनोरोड, फुलरीन लिगैंड्स और डेनड्रीमर नैनोमीटर-आकार की संरचना और कैप्सूलन इकाइयां प्रदान करते हैं।
 * बाह्य परत का उपयोग जटिल प्रणालियों के निर्माण के लिए पाड के रूप में और इलेक्ट्रोड के साथ विद्युत रासायनिक प्रणालियों को जोड़ने के लिए भी किया जा सकता है। स्व-संयोजन एकस्तर और बहुस्तर के निर्माण के लिए नियमित बाह्य परत का उपयोग किया जा सकता है।
 * पिछले दशक में विभिन्न प्रयोगात्मक और संगणनात्मक विधियों से निविष्ट के माध्यम से ठोस पदार्थों में अंतर-आणविक परस्पर क्रिया की समझ में एक प्रमुख पुनर्जागरण हुआ है। इसमें ठोस पदार्थों में उच्च दबाव अध्ययन और यौगिकों के स्वस्थानी क्रिस्टलीकरण सम्मिलित हैं यौगिक जो कमरे के तापमान पर तरल होते हैं जो इलेक्ट्रॉन घनत्व विश्लेषण, क्रिस्टल संरचना पूर्व-सूचना और ठोस अवस्था में DFT गणना के उपयोग से क्रिस्टल में इस तरह की अन्तःक्रिया से जुड़े गुण के साथ-साथ प्रकृति, ऊर्जावान और सांस्थितिक गुण की मात्रात्मक समझ को सक्षम करते है।

प्रकाश-रासायनिक और विद्युत-रासायनिक रूप से सक्रिय इकाइयाँ

 * पोर्फिरीन, और फथलोसाइनिन में अत्यधिक समस्वरणशील करने योग्य प्रकाश-रासायनिक और विद्युत-रसायन गतिविधि के साथ-साथ सम्मिश्र बनाने की क्षमता होती है।
 * प्रकाश के संपर्क में आने पर फोटोक्रोमिक और प्रकाशआइसोमराइजेशन समूह बाध्यकारी गुणों सहित अपने आकार और गुणों को परिवर्तित सकते हैं।
 * टेट्राथियाफुलवालेन (TTF) और क्विनोन में कई स्थिर ऑक्सीकरण अवस्थाएँ होती हैं, और इसलिए इनका उपयोग अपचयोपचय और विद्युत-रसायन में किया जा सकता है।
 * अन्य इकाइयाँ, जैसे कि बैन्जीडाइन यौगिक, विऑलोगेन और फुलरीन, अतिआण्विक विद्युत-रसायन उपकरणों में उपयोगी हैं।

जैविक रूप से व्युत्पन्न इकाइयां

 * एविडिन और बायोटिन के बीच अत्यंत प्रबल समन्वय सम्मिश्र रक्त के थक्के जमने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, और संश्लेषिक प्रणाली के निर्माण के लिए पहचान मूल भाव के रूप में इसका उपयोग किया गया है।
 * एंजाइमों को उनके सहकारक (जैव रसायन) के साथ बाँधने का उपयोग संशोधित एंजाइमों, विद्युत रूप से संपर्क वाले एंजाइमों और समान रूप से फोटोस्विच एंजाइमों के उत्पादन के लिए एक क्रम के रूप में किया गया है।
 * DNA का उपयोग संश्लेषिक सुपरमॉलेक्युलर प्रणाली में संरचनात्मक और कार्यात्मक इकाई दोनों के रूप में किया गया है।

सामग्री प्रौद्योगिकी
अतिआण्विक रसायन ने कई अनुप्रयोग पाये गए हैं, विशेष रूप से आणविक स्व-संयोजन प्रक्रियाओं को नई सामग्रियों के विकास के लिए लागू किया गया है। ऊर्ध्वगामी संश्लेषण का उपयोग करके बड़ी संरचनाओं तक आसानी से पहुँचा जा सकता है क्योंकि वे छोटे अणुओं से बने होते हैं जिन्हें संश्लेषण के लिए कम चरणों की आवश्यकता होती है। इस प्रकार नैनो-प्रौद्योगिकी के अधिकांश ऊर्ध्वगामी दृष्टिकोण अतिआण्विक रसायन पर आधारित हैं। कई नई सामग्री आणविक पहचान पर आधारित हैं।

उत्प्रेरण
अतिआण्विक रसायन का एक प्रमुख अनुप्रयोग उत्प्रेरक और उत्प्रेरण की डिजाइन और समझ है। उत्प्रेरण में गैर-सहसंयोजक परस्पर क्रिया अत्यंत महत्वपूर्ण हैं, अभिकारक को प्रतिक्रिया के लिए उपयुक्त अनुरूपताओं में बांधना और प्रतिक्रिया की संक्रमण अवस्था ऊर्जा को कम करना। टेम्पलेट-निर्देशित संश्लेषण अतिआण्विक उत्प्रेरण की एक विशेष स्थिति है। आणविक कैप्सुलन जैसे कि कणपुंज, डेंड्रिमर और केविटेण्ड प्रतिक्रियाओं (या प्रतिक्रियाओं में चरणों) के लिए उपयुक्त सूक्ष्म वातावरण बनाने के लिए उत्प्रेरण में भी उपयोग किया जाता है जो असूक्ष्म पैमाने पर उपयोग करना संभव नहीं है।

चिकित्सा
अतिआण्विक रसायन पर आधारित डिज़ाइन ने कार्यात्मक जैविक-सामग्री और चिकित्सीय के निर्माण में कई अनुप्रयोगों का नेतृत्व किया है। अतिआण्विक जैविक-सामग्री समस्वरणशील करने योग्य यांत्रिक, रासायनिक और जैविक गुणों के साथ कई अनुखंडीय और सामान्य प्लेटफॉर्म प्रदान करते हैं। इनमें पेप्टाइड्स के अतिआण्विक संयोजन, होस्ट-गेस्ट मैक्रोसायकल, उच्च-सजातीयता हाइड्रोजन बंध और धातु-लिगैंड परस्पर क्रिया पर आधारित प्रणाली सम्मिलित हैं।

कोशिकाओं के अंदर और बाहर सोडियम और पोटेशियम आयनों के परिवहन के लिए कृत्रिम आयन प्रणाली बनाने के लिए एक अतिआण्विक दृष्टिकोण का बड़े पैमाने पर उपयोग किया गया है।

दवा बाध्यकारी कार्यस्थल पर अन्तःक्रियाको समझकर नए औषधीय उपचारों के विकास के लिए अतिआण्विक रसायन भी महत्वपूर्ण है। दवा वितरण के क्षेत्र में भी अतिआण्विक रसायन के परिणामस्वरूप कैप्सुलन और लक्षित प्रदर्शन तंत्र प्रदान करने के परिणामस्वरूप महत्वपूर्ण प्रगति हुई है। इसके अतिरिक्त, अतिआण्विक प्रणाली को प्रोटीन-प्रोटीन परस्पर क्रिया को बाधित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है जो कोशिका प्रफलन के लिए महत्वपूर्ण हैं।

डेटा भंडारण और प्रसंस्करण
आणविक पैमाने पर अभिकलन कार्यों को प्रदर्शित करने के लिए अतिआण्विक रसायन का उपयोग किया गया है। कई स्थितियों में, इन घटकों में फोटोनी या रासायनिक संकेतों का उपयोग किया गया है, लेकिन अतिआण्विक संकेत पारगमन उपकरण द्वारा इन इकाइयों के विद्युत अन्तराफलक को भी दिखाया गया है। डेटा स्टोरेज डिवाइस को इलेक्ट्रोक्रोमिक और रेडॉक्स-स्विच करने योग्य इकाइयों द्वारा, और समान रूप से आणविक गति द्वारा फोटोक्रोमिक और फोटोिसोमेराइजेशन इकाइयों के साथ आणविक स्विच के उपयोग से पूरा किया गया है। संश्लेषिक आणविक तर्क गेट्स को वैचारिक स्तर पर प्रदर्शित किया गया है। अर्ध-संश्लेषिक DNA कंप्यूटर द्वारा पूर्ण पैमाने पर संगणना भी हासिल की गई है।

यह भी देखें

 * कार्बनिक रसायन शास्त्र
 * नैनो टेक्नोलॉजी

बाहरी संबंध

 * 2D and 3D Models of Dodecahedrane and Cuneane Assemblies
 * Supramolecular Chemistry and Supramolecular Chemistry II – Thematic Series in the Open Access Beilstein Journal of Organic Chemistry