हाइड्रोजन-बद्ध जैविक ढांचा

हाइड्रोजन-बद्ध जैविक ढांचा (HOFs) दो या तीन आयामी सामग्रियों का एक वर्ग है जो सरंध्रता और संरचनात्मक नम्यता को वहन करने के लिए आणविक मोनोमर इकाइयों के बीच हाइड्रोजन बंधन द्वारा बनाई जाती है।  विविध हाइड्रोजन बंधन युग्म विकल्प हैं जिनका उपयोग HOFs निर्माण में किया जा सकता है, जिसमें समान या गैर-समान हाइड्रोजन बंधन दाता और स्वीकर्ता सम्मिलित हैं। हाइड्रोजन बंधन इकाइयों के रूप में कार्य करने वाले जैविक समूहों के लिए, कार्बोक्सिलिक अम्ल, एमाइड, 2,4-डायमिनोट्रायज़िन और इमिडाज़ोल इत्यादि जैसी प्रजातियों का उपयोग सामान्यतः हाइड्रोजन बंधन परस्पर क्रिया के निर्माण के लिए किया जाता है। COF और MOF जैसे अन्य जैविक संरचना की तुलना में, HOFs का बंधन बल अपेक्षाकृत अशक्त है और HOFs का सक्रियण अन्य संरचना की तुलना में अधिक कठिन है, जबकि हाइड्रोजन बंधन की प्रतिवर्तीता सामग्री की उच्च क्रिस्टलीयता की प्रत्याभूति देती है। यद्यपि HOFs की स्थिरता और छिद्र आकार के विस्तार में संभावित समस्याएं हैं, फिर भी HOFs विभिन्न क्षेत्रों में अनुप्रयोगों के लिए दृढ़ क्षमता दिखाते हैं।

हाइड्रोजन-बद्ध जैविक ढांचा की प्राकृतिक छिद्रपूर्ण आर्किटेक्चर का एक महत्वपूर्ण परिणाम साथी अणुओं के अवशोषण का अनुभव करना है। यह चरित्र विभिन्न HOFs संरचनाओं के विभिन्न अनुप्रयोगों के उद्भव को तेज करता है, जिसमें गैस हटाने/भंडारण/पृथक्करण, अणु पहचान, प्रोटॉन चालन, बायोमेडिकल अनुप्रयोग आदि सम्मिलित हैं।



इतिहास
विस्तारित 2D हाइड्रोजन-बंधन-आधारित छिद्रपूर्ण संरचना की रिपोर्ट को 1960 के दशक में ट्रैक किया जा सकता है। 1969 में, डुचैम्प और मार्श ने बेंजीन-1,3,5-ट्राई-कार्बोक्जिलिक एसिड (ट्राइमेसिक अम्ल या टीएमए) द्वारा निर्मित हनीकॉम्ब नेटवर्क के साथ 2D इंटरपेनिट्रेटेड नॉनपोरस क्रिस्टल संरचना के बारे में बताया। फिर एर्मर ने इंटरपेनिट्रेटेड डायमंड टोपोलॉजी के साथ एक एडामेंटेन-1,3,5,7-टेट्राकार्बोक्सिलिक एसिड (एडीटीए) आधारित हाइड्रोजन-बॉन्ड नेटवर्क के बारे में बताया। इस बीच अतिथि-प्रेरित हाइड्रोजन बंधित संरचना के विविध कार्य क्रमिक रूप से रिपोर्ट किए गए, जिससे धीरे-धीरे हाइड्रोजन बंधित जैविक संरचना की अवधारणा विकसित हुई।   हाइड्रोजन बंधित जैविक संरचना के विकास में एक और मील का पत्थर चेन द्वारा स्थापित किया गया था। 2011 में, चेन ने बाध्यकारी बल के रूप में हाइड्रोजन बंधन के साथ एक छिद्रपूर्ण जैविक संरचना के बारे में बताया और पहली बार गैस अवशोषण द्वारा इसकी सरंध्रता का प्रदर्शन किया। तब से, कई HOFs संरचनाओं का डिजाइन और निर्माण किया गया है, इस बीच छिद्रपूर्ण संरचना से संबंधित विभिन्न अनुप्रयोगों का प्रयास किया गया है और HOFs पर प्रयुक्त किया गया है, जिनकी प्रभावशीलता सिद्ध हुई है।

HOFs में हाइड्रोजन बंधन युग्म
विभिन्न मोनोमर्स के बीच बनने वाले हाइड्रोजन बॉन्ड विभिन्न असेंबली आर्किटेक्चर के साथ हाइड्रोजन-बॉन्ड जैविक संरचना के निर्माण की प्रत्याभूति देते हैं।  हाइड्रोजन युग्म का गठन HOFs के संरचनात्मक और कार्यात्मक डिजाइन पर आधारित है, इसलिए व्यवस्थित आवश्यकताओं का पालन करते हुए विभिन्न हाइड्रोजन बंधन युग्म का चयन किया जाना चाहिए। हाइड्रोजन बंधन युग्म में सामान्यतः 2,4-डायमिनोट्रायज़िन, कार्बोक्जिलिक एसिड, एमाइड, इमाइड, इमिडाज़ोल, इमिडाज़ोलोन और रेसोरिसिनोल आदि सम्मिलित होते हैं।     उपयुक्त रीढ़ की हड्डी के साथ संयोजन करते हुए, प्रत्येक क्रिस्टलीकरण स्थिति में, हाइड्रोजन-बंधन युग्म विशिष्ट संयोजन राज्यों का प्रदर्शन करेंगे, जिसका अर्थ है कि इस क्रिस्टलीकरण स्थिति के लिए पसंदीदा ऊर्जा के साथ आकृति विज्ञान को मोनोमर्स द्वारा इकट्ठा किया जा सकता है। 2D या 3D HOFs का अनुभव करने के लिए, एक से अधिक हाइड्रोजन बंधन युग्म वाले मोनोमर्स पर सामान्यतः विचार किया जाता है: दृढ़ता और दिशात्मकता भी HOFs निर्माण के पक्ष में हैं।



HOF मोनोमर का आधार
निर्माणात्मक इकाइयों की दृढ़ता और दिशात्मकता HOFs को विभिन्न छिद्र संरचनाओं, टोपोलॉजी और आगे के अनुप्रयोगों की प्रस्ताव करती है। इसलिए, मोनोमर आधार का उचित विकल्प HOFs के निर्माण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। ये आधार न केवल स्थिर HOFs संरचनात्मक डिजाइन को साकार करने और छिद्र आकार का विस्तार करने के लिए ऊपर उल्लिखित विभिन्न हाइड्रोजन बंधन युग्म के साथ संयोजन कर सकते हैं, बल्कि HOFs की अधिक टोपोलॉजी की प्रस्ताव करने का अवसर भी देते हैं। इसके अलावा, मोनोमर्स और HOFs उत्पन्न करने के लिए समान ज्यामिति और समान संयोजन पैटर्न वाले आधार का उपयोग करके, ढांचा का आइसोरेटिकुलर विस्तार छिद्र आकार को प्रभावी ढंग से विस्तारित करने का एक विश्वसनीय तरीका बन जाता है। जैसा कि उल्लेख किया गया है, झरझरा और स्थिर HOFs के निर्माण के लिए, कई पहलुओं पर एक साथ विचार किया जाना चाहिए, जैसे कि आधार की दृढ़ता, हाइड्रोजन युग्म की अभिविन्यास और बंधन शक्ति, और व्यवस्थित स्टैकिंग के लिए अन्य अंतर-आणविक परस्पर क्रिया। इसलिए, HOFs मोनोमर्स के डिजाइन को उनके H-बंध ओरिएंटेशन और संरचनात्मक दृढ़ता, और परिणामस्वरूप संरचना की स्थिरता और सरंध्रता पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए।

सिंथेटिक विधियां
सिद्धांत रूप में, HOF को विलायकों से क्रिस्टलीकृत किया जा सकता है। हालाँकि, विलायक प्रकार, अग्रदूत एकाग्रता, क्रिस्टलीकरण समय और तापमान आदि के कारक HOFs सिस्टलीकरण प्रक्रिया पर महत्वपूर्ण प्रभाव डाल सकते हैं। सामान्यतः क्रिस्टल उत्पाद उच्च सांद्रता और कम क्रिस्टलीकरण समय के माध्यम से गतिकी के अनुरूप हो सकते हैं, जबकि क्रिस्टलीकरण दर धीमी होने से ऊष्मप्रवैगिकी क्रिस्टल प्राप्त हो सकते हैं। HOF क्रिस्टल का उत्पादन करने की एक सामान्य विधि घोल के विलायक को धीरे-धीरे वाष्पित करना है, जिससे मोनोमर्स के स्टैकिंग को लाभ होता है। एक और व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली विधि मोनोमर्स की असेंबली को प्रेरित करने के लिए कम क्वथनांक वाले खराब विलायक को उच्च क्वथनांक वाले अच्छे विलायक के साथ मोनोमर समाधान में फैलाना है। विभिन्न क्रिस्टलीकरण प्रणालियों के आधार पर, HOF निर्माण के लिए अन्य विधियाँ भी प्रयुक्त की गई हैं।

लक्षण वर्णन विधियाँ
HOF सामग्रियों और उनके मोनोमर्स को चिह्नित करने की विभिन्न विधियाँ हैं। परमाणु चुंबकीय अनुनाद (एनएमआर) स्पेक्ट्रोस्कोपी और उच्च-रिज़ॉल्यूशन द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री (एचआर-एमएस) का उपयोग सामान्यतः मोनोमर्स के संश्लेषण को चिह्नित करने के लिए किया जाता है। एकल क्रिस्टल एक्स-रे विवर्तन (एससीएक्सआरडी) HOFs क्रिस्टल पैकिंग की संरचना का निर्धारण करने के लिए शक्तिशाली उपकरण है। पाउडर एक्स-रे विवर्तन (पीएक्सआरडी) भी HOFs के शुद्ध चरण निर्माण को प्रदर्शित करने के लिए एक समर्थित तकनीक है।  ब्रूनॉयर-एम्मेट-टेलर (बीईटी) विधि के माध्यम से गैस अवशोषण और अवशोषण अध्ययन HOFs के कुछ प्रमुख मापदंडों को उचित रूप से प्रदर्शित कर सकता है, जैसे छिद्र आकार, विशिष्ट गैस अवशोषण मात्रा और अवशोषण आइसोथर्म से सतह क्षेत्र। अनुप्रयोग निर्देशों और अध्ययन क्षेत्रों के आधार पर, HOFs के लक्षण वर्णन के लिए विविध तकनीकों को प्रयुक्त किया गया है।

अनुप्रयोग
छिद्रपूर्ण संरचनाएं और अद्वितीय गुण व्यावहारिक क्षेत्रों में HOFs के अच्छे अनुप्रयोग प्रदर्शन की प्रत्याभूति देते हैं। अनुप्रयोगों में गैस अवशोषण, हाइड्रोकार्बन पृथक्करण, प्रोटॉन चालकता, और आणविक मान्यता आदि सम्मिलित हैं, लेकिन इन्हीं तक सीमित नहीं हैं।



गैस अवशोषण
अनुरूप छिद्र आकार के साथ एक प्रकार के नेटवर्क के रूप में, HOFs निश्चित आकार और अंतःक्रियाओं के साथ गैस अणुओं के लिए भंडारण कंटेनर के रूप में काम कर सकते हैं। HOF में अपेक्षाकृत सीमित छिद्र आकार H2, N2, CO2, CH4, C2H2, C2H4, C2H6 इत्यादि सहित विभिन्न छोटे गैस अणुओं को संग्रहीत करने, पकड़ने या अलग करने में मदद कर सकता है। मास्टालेर्ज़ और ओपेल ने संवैधानिक मोनोमर्स के रूप में ट्रिप्टिसीन ट्राइसबेनज़िमिडाज़ोलोन (टीटीबीआई) के साथ विशेष 3D HOFs के बारे में बताया था। आणविक दृढ़ता और स्टीरियो निर्माण के कारण, ढांचा के माध्यम से 1D चैनल बनाए गए और सतह क्षेत्र को बड़े पैमाने पर 2796 m2/g की सीमा तक बढ़ाया गया, जैसा कि बीईटी द्वारा दिखाया गया है। HOF ने H2 और CO2 की अच्छी अवशोषण की क्षमता भी प्रस्तुत की, 77 और 273 K पर 1 बार पर 243 और 80.7 cm3/g के रूप में किया था।

CO2 अवशोषण
विशिष्ट ग्रीनहाउस गैस के रूप में जो कई पहलुओं में गंभीर समस्याएं उत्पन्न कर सकती है, कार्बन डाइऑक्साइड का अभिग्रहण हमेशा बड़ी चिंता का विषय रहा है। इस बीच, कार्बन डाइऑक्साइड का व्यापक रूप से गैस संसाधन के रूप में उपयोग किया गया है या विनिर्माण और उद्योग में अपशिष्ट गैस के रूप में उत्सर्जित किया गया है, इसलिए CO2 के भंडारण और पृथक्करण पर हमेशा एक महत्वपूर्ण अनुप्रयोग के रूप में जोर दिया गया है। चेन और सहकर्मियों ने 2015 में उच्च CO2 अवशोषण की क्षमता वाले HOF के संरचनात्मक परिवर्तन की सूचना दी। बिनोडल टोपोलॉजी के साथ HOFs आर्किटेक्चर की असेंबली का अनुभव करने के लिए इकाइयों के बीच N–H···N हाइड्रोजन बंधन का गठन किया जाता है। HOF की CO2 ग्रहण क्षमता 273 K पर 117.1 cm3/g तक पहुंच सकती है।

हाइड्रोकार्बन पृथक्करण
चेन और सहकर्मियों द्वारा C2H2/C2H4 पृथक्करण के लिए उपयोग किए जाने वाले हाइड्रोजन-बद्ध जैविक संरचना के बारे में बताया गया था। इस HOF की संरचना में, प्रत्येक 4,4',4  ,4  -टेट्रा (4,6-डायमिनो-एस-ट्रायज़िन-2-वाईएल) टेट्राफेनिलमीथेन इकाई N–H···N हाइड्रोजन बंधन द्वारा आठ अन्य इकाइयों से जुड़ी हुई है। कुछ संरचनात्मक नम्यता के कारण, ढांचा C2H2 को 63.2 cm3/g तक ग्रहण करने में सक्षम था, जबकि C2H4 की अवशोषण की मात्रा 273 K पर 8.3 cm3/g थी, जो प्रभावी C2H2/C2H4 पृथक्करण को दर्शाता है।

अणु पहचान
हाइड्रोजन-बद्ध जैविक संरचना में उपस्थित गैर-सहसंयोजक परस्पर क्रिया, उदाहरण के लिए, हाइड्रोजन बॉन्डिंग, π-π परस्पर क्रिया और वैन डेर वाल्स बल, अणुओं की पहचान के लिए महत्वपूर्ण अंतर-आणविक परस्पर क्रिया के रूप में माने जाते हैं। इस बीच, कई बाध्यकारी साइटें और अनुकूलनीय संरचनाएं भी HOFs को अच्छा अणु पहचान मंच बनाती हैं। इन विशेषताओं का उपयोग करके, अब तक विभिन्न प्रकार की पहचान को साकार किया जा चुका है, जिसमें गैस अणुओं की पहचान, फुलरीन की पहचान, एनिलिन की पहचान, पाइरीडीन की पहचान, आदि सम्मिलित हैं।

ऑप्टिकल सामग्री
बड़े π संयुग्मन संरचनाओं वाले कुछ ल्यूमिनसेंस अणुओं का उपयोग HOFs के निर्माण के लिए भी किया जाता है। इसलिए, गैर-सहसंयोजक नियंत्रित ल्यूमिनेसेंस समायोजन को साकार करने के लिए विभिन्न ल्यूमिनसेंट HOFs को डिजाइन और असेंबल किया जाता है, जो HOFs सामग्रियों में अधिक कार्य प्रस्तुत कर सकता है। उदाहरण के लिए, टेट्राफेनिलएथिलीन (टीपीई) को आधार के रूप में उपयोग करके, अलग-अलग रंग उत्सर्जन प्रस्तुत करने वाले विलायक के साथ संयुक्त HOFs की श्रृंखला की सूचना दी गई है।

प्रोटॉन चालन
प्रोटॉन वाहक के साथ निर्मित हाइड्रोजन-बद्ध जैविक संरचना का प्रोटॉन संचालन के लिए व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। हाइड्रोजन बंधन प्रोटॉन को स्थानांतरित करने के लिए रूपरेखा में प्रोटॉन स्रोत के रूप में भी काम कर सकते हैं। एक उदाहरण के रूप में, पोर्फिरिन-आधारित संरचनाओं और गुआनिडिनियम सल्फोनेट नमक मोनोमर्स का अध्ययन किया गया है और उनमें उपस्थित निश्चित चालकता के प्रोटॉन संचालन के लिए HOFs डिजाइन और निर्माण में सम्मिलित किया गया है।

जैविक अनुप्रयोग
धातु-मुक्त छिद्रपूर्ण सामग्री के प्रकार के रूप में, हाइड्रोजन-बद्ध जैविक संरचना भी दवा वितरण और रोग उपचार के लिए आदर्श मंच हैं। इस बीच, उचित मोनोमर चयन और उचित व्यवस्था के साथ, काओ ने एक दृढ़ HOFs की सूचना दी, जो कैंसर की दवा डॉक्सोरूबिसिन को प्रभावी ढंग से समाहित कर सकता है और कैंसर उपचार के लिए दवा जारी करने और फ़ोटोडायनॉमिक थेरेपी के दोहरे कार्यों को साकार करने के लिए एम्बेडेड फोटोएक्टिव पाइरीन भाग द्वारा सिंगलेट ऑक्सीजन का उत्पादन किया जा सकता है।