आणविक स्विच

एक आणविक स्विच एक अणु है जो दो या दो से अधिक स्थिर अवस्थाओं के बीच प्रतिवर्ती प्रतिक्रिया को स्थानांतरित कर सकता है। पर्यावरणीय उत्तेजनाओं के जवाब में अणुओं को राज्यों के बीच स्थानांतरित किया जा सकता है, जैसे कि पीएच, प्रकाश, तापमान, एक विद्युत प्रवाह, माइक्रोएन्वायरमेंट, या आयनों की उपस्थिति में परिवर्तन और अन्य लिगेंड्स। कुछ मामलों में, उत्तेजनाओं के संयोजन की आवश्यकता होती है। सिंथेटिक आणविक स्विच के सबसे पुराने रूप पीएच संकेतक हैं, जो पीएच के कार्य के रूप में अलग-अलग रंग प्रदर्शित करते हैं। वर्तमान में आणविक कंप्यूटर या उत्तरदायी दवा वितरण प्रणाली में आवेदन के लिए सिंथेटिक आणविक स्विच नैनो तकनीक के क्षेत्र में रुचि रखते हैं। जीव विज्ञान में आणविक स्विच भी महत्वपूर्ण हैं क्योंकि कई जैविक कार्य इस पर आधारित होते हैं, उदाहरण के लिए एलोस्टेरिक विनियमन और दृश्य धारणा। वे आणविक मशीनों के सबसे सरल उदाहरणों में से एक हैं।

जैविक आणविक स्विच
सेलुलर जीव विज्ञान में, प्रोटीन सिग्नलिंग मार्ग में एक और प्रोटीन को सक्रिय करके इंट्रासेल्युलर सिग्नलिंग अणुओं के रूप में कार्य करता है। ऐसा करने के लिए, प्रोटीन सक्रिय और निष्क्रिय अवस्थाओं के बीच स्विच कर सकते हैं, इस प्रकार दूसरे सिग्नल के जवाब में आणविक स्विच के रूप में कार्य करते हैं। उदाहरण के लिए, प्रोटीन के फास्फारिलीकरण का उपयोग प्रोटीन को सक्रिय या निष्क्रिय करने के लिए किया जा सकता है। 'आण्विक स्विच' को फ़्लिप करने वाला बाहरी संकेत प्रोटीन किनेज हो सकता है, जो प्रोटीन में फॉस्फेट समूह जोड़ता है, या प्रोटीन फॉस्फेट, जो फॉस्फेट को हटा देता है।

एसिडोक्रोमिक आणविक स्विच
PH के कार्य में परिवर्तन करने के लिए कुछ यौगिकों की क्षमता सोलहवीं शताब्दी के बाद से ज्ञात थी। यह प्रभाव अम्लता/क्षारकता की अवधारणा की खोज से पहले भी जाना जाता था। वे गुलाब, कॉर्नफ्लॉवर, प्रिमरोज़ और वायलेट जैसे पौधों की एक विस्तृत श्रृंखला में पाए जाते हैं। रॉबर्ट बॉयल इस आशय का वर्णन करने वाले पहले व्यक्ति थे, उन्होंने पौधे के रस (समाधान और गर्भवती कागज के रूप में) का इस्तेमाल किया। इन यौगिकों का सबसे आम उपयोग पीएच संकेतक है, जो एसिड / बुनियादी गुणों वाले अणु होते हैं और जबकि विभिन्न रूप अलग-अलग रंग प्रस्तुत करते हैं। जब एक अम्ल या क्षार जोड़ा जाता है, तो दो रूपों के बीच का संतुलन विस्थापित हो जाएगा।

photochromic आणविक स्विच
एक व्यापक रूप से अध्ययन किया गया वर्ग फोटोक्रोमिक यौगिक है जो एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य के प्रकाश द्वारा विकिरणित होने पर इलेक्ट्रॉनिक कॉन्फ़िगरेशन के बीच स्विच करने में सक्षम होता है। प्रत्येक राज्य में एक विशिष्ट अवशोषण अधिकतम होता है जिसे बाद में पराबैंगनी-दृश्य स्पेक्ट्रोस्कोपी | यूवी-विज़ स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा पढ़ा जा सकता है। इस वर्ग के सदस्यों में azobenzene, diarylethene, dithienylthene, तेज चमक, स्टिल्ट्स, स्पाइरोपायरन और फेनोक्सीनाफ्थैसीन क्विनोन शामिल हैं।


 * Dithienylethene.svgptical आणविक स्विच एक विशिष्ट उपसमूह हैं, जो कि एनेंटिओमर के बीच फोटोकैमिकल स्विचिंग होते हैं। इन यौगिकों में रीडआउट सामान्य स्पेक्ट्रोस्कोपी के बजाय परिपत्र द्वैतवाद द्वारा होता है। हिंडर्ड अल्केन्स जैसे कि नीचे दर्शाया गया है, दाएं या बाएं हाथ के गोलाकार ध्रुवीकृत प्रकाश के साथ विकिरण की प्रतिक्रिया के रूप में उनकी चुंबकीय हेलिसिटी (देखें: प्लानर चिरायता) को बदलते हैं।


 * HinderedAlkeneMolecularSwitch.pngचिरोप्टिकल आणविक स्विच जो दिशात्मक गति दिखाते हैं उन्हें सिंथेटिक आणविक मोटर्स माना जाता है:



होस्ट-अतिथि आणविक स्विच
मेजबान-अतिथि रसायन शास्त्र में आणविक स्विच के बिस्टेबल राज्य मेहमानों के लिए उनके संबंध में भिन्न होते हैं। ऐसी प्रणालियों के कई प्रारंभिक उदाहरण ताज ईथर रसायन शास्त्र पर आधारित हैं। पहला स्विचेबल होस्ट 1978 में Desvergne & Bouas-Laurent द्वारा वर्णित किया गया है जो फोटोकैमिकल अंगारिन डिमराइज़ेशन के माध्यम से क्राउन ईथर बनाते हैं। हालांकि सख्ती से स्विच करने योग्य नहीं बोलने पर यौगिक फोटोकैमिकल ट्रिगर के बाद कैटायन लेने में सक्षम होता है और acetonitrile के संपर्क में आने से खुले रूप में वापस आ जाता है।


 * AnthraceneCrownDesvergne1978.png में यमाशिता अल द्वारा चित्रित। पहले से ही एन्थ्रेसीन इकाइयों (एक एन्थ्रेसेनोफेन) को शामिल करते हुए एक क्राउन ईथर का निर्माण करें और आयन अपटेक बनाम फोटोकैमिस्ट्री का भी अध्ययन करें।


 * AnthraceneCrownMisumi1980.pngइसके अलावा 1980 में शिंकाई ने एंथ्रासीन यूनिट को एजोबेंजीन अंश के पक्ष में फोटोएन्टेना के रूप में फेंका। और पहली बार ऑन-ऑफ स्विच के साथ अणुओं के अस्तित्व की कल्पना करता है। इस अणु में प्रकाश एज़ो समूह के ट्रांस-सिस आइसोमेराइजेशन को ट्रिगर करता है जिसके परिणामस्वरूप रिंग का विस्तार होता है। इस प्रकार ट्रांस रूप में मुकुट अमोनियम, लिथियम और सोडियम आयनों को अधिमानतः बांधता है जबकि सीआईएस रूप में पोटैशियम और रूबिडीयाम (एक ही क्षार धातु समूह में दोनों बड़े आयन) के लिए वरीयता है। अंधेरे में रिवर्स आइसोमेराइजेशन होता है।


 * MolecularSwitchShinkay1980.pngशिंकाई इस उपकरण को वास्तविक आयन परिवहन में नियोजित करता है जो चेतावनी देने के लिए और nigericin की जैव रासायनिक क्रिया की नकल करता है: एक द्विध्रुवीय प्रणाली में आयनों को एक चरण में प्रकाश द्वारा ट्रिगर किया जाता है और दूसरे चरण में प्रकाश की अनुपस्थिति में जमा किया जाता है।

यंत्रवत्-इंटरलॉक आणविक स्विच
कुछ सबसे उन्नत आणविक स्विच यंत्रवत्-इंटरलॉक्ड आणविक आर्किटेक्चर पर आधारित होते हैं जहां बिस्टेबल राज्य मैक्रोसायकल की स्थिति में भिन्न होते हैं। 1991 में जे. फ्रेजर स्टोडार्ट एक rotaxanes पर आधारित एक आणविक शटल का उपकरण जिस पर एक आणविक मनका एक आणविक धागे पर स्थित दो डॉकिंग स्टेशनों के बीच शटल करने में सक्षम होता है। स्टोडार्ट भविष्यवाणी करता है कि जब स्टेशन एक अलग बाहरी उत्तेजना द्वारा संबोधित प्रत्येक स्टेशन से भिन्न होते हैं तो शटल एक आणविक मशीन बन जाती है। 1993 में स्टोडार्ट को सुपरमॉलेक्यूलर केमिस्ट्री के अग्रणी फ्रिट्ज़ वोगल द्वारा स्कूप किया गया, जो वास्तव में रोटाक्सेन पर नहीं बल्कि संबंधित चेन पर आधारित स्विचेबल अणु प्रदान करता है।

यह कंपाउंड दो रिंग सिस्टम पर आधारित है: एक रिंग में फोटोविचेबल एजोबेंजीन रिंग और दो पैराक्वाट डॉकिंग स्टेशन होते हैं और दूसरी रिंग एक पॉलीथर होती है जिसमें पैराक्वाट यूनिट्स के लिए बाइंडिंग एफिनिटी के साथ एरीन रिंग्स होती हैं। इस प्रणाली में एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी से पता चलता है कि एज़ो ट्रांस-फॉर्म में पॉलीथर रिंग अपने पार्टनर रिंग के चारों ओर घूमने के लिए स्वतंत्र है लेकिन फिर जब एक लाइट ट्रिगर सिस एज़ो फॉर्म को सक्रिय करता है तो यह रोटेशन मोड बंद हो जाता है।

1994 में कैफ़र और स्टोडार्ट ने अपने आणविक शटल को संशोधित किया इस तरह से कि इलेक्ट्रॉन-कम टेट्राकेशनिक साइक्लोफेन बीड के पास अब दो डॉकिंग स्टेशनों के बीच एक विकल्प है: एक 4,4'-बिफेनोल और एक बेंज़िडाइन यूनिट। कमरे के तापमान पर समाधान में एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी से पता चलता है कि मनका एनएमआर टाइमस्केल की तुलना में दर पर बंद हो जाता है, जिससे तापमान 229K तक कम हो जाता है और 84% आबादी बेंज़िडीन स्टेशन के पक्ष में संकेतों को हल करती है। हालांकि, ट्री फ्लुओरो असेटिक अमल के अतिरिक्त, बेन्ज़िडीन नाइट्रोजन परमाणुओं को प्रोटोनेट किया जाता है और बीड स्थायी रूप से बाइफेनोल स्टेशन पर तय होता है। एक ही प्रभाव इलेक्ट्रोसिंथेसिस ऑक्सीकरण (बैन्जीडाइन कट्टरपंथी आयन बनाने) द्वारा प्राप्त किया जाता है और महत्वपूर्ण रूप से दोनों प्रक्रियाएं उलटा होती हैं।

2007 में एक प्रायोगिक DRAM में आणविक शटल का उपयोग किया गया था। डिवाइस में 400 बॉटम सिलिकॉन nanowire इलेक्ट्रोड (33 एनएम अंतराल पर 16 नैनोमीटर (एनएम) चौड़ा) होते हैं, जो समान आयामों वाले अन्य 400 टाइटेनियम टॉप-नैनोवायरों द्वारा पार किए जाते हैं, जो नीचे दर्शाए गए बिस्टेबल रोटाक्सेन के मोनोलेयर को सैंडविच करते हैं:


 * MolecularSwitchInElectronicmemory.pngडिवाइस में प्रत्येक काटा में एक सिलिकॉन और एक टाइटेनियम क्रॉसबार होता है जिसमें लगभग 100 रोटाक्सेन अणु होते हैं जो लंबवत कोणों पर उनके बीच की जगह भरते हैं। बाईं ओर हाइड्रोफिलिक डाएइथाईलीन ग्लाइकोल स्टॉपर (ग्रे) को विशेष रूप से सिलिकॉन तार (फॉस्फोरस डोपिंग द्वारा हाइड्रोफिलिक बनाया गया) के लिए लंगर डालने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जबकि दाईं ओर हाइड्रोफोबिक टेट्राफेनिलमीथेन स्टॉपर इसी तरह हाइड्रोफोबिक टाइटेनियम तार के समान है। स्विच की जमीनी अवस्था में, पैराक्वेट रिंग एक tetrathiafulvalene इकाई (लाल रंग में) के आसपास स्थित होती है, लेकिन यह नेफ़थलीन इकाई (हरे रंग में) में चली जाती है, जब करंट के अनुप्रयोग द्वारा फुलवेलीन इकाई का ऑक्सीकरण किया जाता है। जब फुलवेलिन वापस कम हो जाता है तो एक मेटास्टेबल उच्च चालकता '1' राज्य बनता है जो लगभग एक घंटे के रासायनिक आधे जीवन के साथ जमीनी अवस्था में वापस आ जाता है। टेरामैक परियोजना में पाए जाने वाले दोष-सहिष्णु वास्तुकला को अपनाकर दोषों की समस्या को दूर किया जाता है। इस तरह एक क्षेत्र पर 160,000 बिट्स से मिलकर एक सर्किट प्राप्त होता है जो 10 में अनुवादित एक सफेद रक्त कोशिका का आकार होता है11 बिट प्रति वर्ग सेंटीमीटर।

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