आणविक स्विच

आणविक स्विच एक ऐसा अणु है जिसे दो या दो से अधिक स्थिर अवस्थाओं के बीच उत्क्रमणीय रूप से स्थानांतरित किया जा सकता है। पीएच, प्रकाश, तापमान, विद्युत प्रवाह, सूक्ष्म पर्यावरण, या आयनों और अन्य लिगेंड की उपस्थिति जैसी पर्यावरणीय उत्तेजनाओं के प्रत्युत्तर में अणुओं को अवस्थाओं के बीच स्थानांतरित किया जा सकता है। कुछ स्थितियों में, उत्तेजनाओं के संयोजन की आवश्यकता होती है। पीएच सूचक, संश्लेषित आणविक स्विचों के सबसे पुराने रूप हैं, जो पीएच की क्रिया के रूप में अलग-अलग रंग प्रदर्शित करते हैं। वर्तमान में संश्लेषित आणविक स्विच नैनोतकनीक के क्षेत्र में आणविक कंप्यूटरों या प्रतिक्रियाशील औषधि वितरण प्रणालियों में अनुप्रयोग के लिए रुचि रखते हैं। आणविक स्विच जीव विज्ञान में भी महत्वपूर्ण हैं क्योंकि अपरस्थली (एलोस्टेरिक) विनियमन और दृष्टि जैसे कई जैविक कार्य इस पर आधारित होते हैं। ये आणविक मशीनों के सबसे सरल उदाहरणों में से एक हैं।

जैविक आणविक स्विच
कोशिकीय जीव विज्ञान में, प्रोटीन संकेतन मार्ग में एक अन्य प्रोटीन को सक्रिय करके अन्तःकोशिकीय संकेतन अणुओं के रूप में कार्य करता है। ऐसा करने के लिए प्रोटीन सक्रिय और निष्क्रिय अवस्थाओं के बीच पारस्परिक परिवर्तित हो सकते हैं, इस प्रकार ये दूसरे संकेत के प्रत्युत्तर में आणविक स्विच के रूप में कार्य करते हैं। उदाहरण के लिए, प्रोटीन के फॉस्फोरिलीकरण का उपयोग प्रोटीन को सक्रिय या निष्क्रिय करने के लिए किया जा सकता है। 'आण्विक स्विच' को पलटने वाला बाह्य संकेत प्रोटीन सम्बन्धी हो सकता है, जो प्रोटीन या प्रोटीन फॉस्फेट में एक फॉस्फेट समूह को जोड़ता है, जो फॉस्फेट को निष्कासित कर देता है।

एसिडोक्रोमिक आणविक स्विच
कुछ यौगिकों की पीएच के कार्य में परिवर्तन की क्षमता सोलहवीं शताब्दी से ज्ञात थी। यह प्रभाव अम्लता/क्षारकता की अवधारणा की खोज से पहले भी ज्ञात था। ये गुलाब, नीलकूपी पुष्प, पीतसेवती गुलाब और बैंगनी पुष्प जैसे पौधों की एक विस्तृत श्रृंखला में पाए जाते हैं। रॉबर्ट बॉयल, पौधों के रस का उपयोग (विलयन और संसेचित कागज के रूप में) करके इस आशय का वर्णन करने वाले पहले व्यक्ति थे।

पीएच सूचक, इन यौगिकों का सबसे सामान्य उपयोग है, जो अम्लीय/क्षारीय गुणों वाले अणु होते हैं और जबकि विभिन्न रूप अलग-अलग रंग प्रस्तुत करते हैं। जब एक अम्ल या क्षार को जोड़ा जाता है, तो दो रूपों के बीच साम्यावस्था विस्थापित हो जाती है।

प्रकाशवर्णी आणविक स्विच
प्रकाशवर्णी यौगिक, व्यापक रूप से अध्ययन किये गये ऐसे वर्ग हैं जो एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य के प्रकाश द्वारा विकिरणित होने पर इलेक्ट्रॉनिक विन्यासों के बीच पारस्परिक परिवर्तन करने में सक्षम होते हैं। प्रत्येक अवस्था में एक विशिष्ट अवशोषण अधिकतम होता है जिसका पाठन पराबैंगनी-दृश्यमान स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा किया जा सकता है। इस वर्ग के सदस्यों में एज़ोबेंजीन, डाइएरिलएथीन, डाइथिएनिलएथीन, फुलगाइड, स्टिलबीन, स्पाइरोपायरन और फेनॉक्सीनैफ्थैसीन क्विनोन सम्मिलित हैं।


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 * चिरॉप्टिकल आणविक स्विच एक विशिष्ट उपसमूह हैं, जिसमें प्रकाश-रसायन पारस्परिक परिवर्तन प्रतिबिम्बरूपी युग्मों के बीच पूर्ण होता हैं। इन यौगिकों में पाठन साधारण स्पेक्ट्रोस्कोपी के स्थान पर वृत्तीय द्विवर्णता द्वारा होता है। अवरुद्ध एल्कीनें दक्षिण या वाम हस्त वृत्तीय ध्रुवीकृत प्रकाश के साथ विकिरण की प्रतिक्रिया के रूप में अपनी कुंडलता (देखें: समतलीय इंगिता) को परिवर्तित करती हैं।


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 * दिशात्मक गति प्रदर्शित करने वाले चिरॉप्टिकल आणविक स्विचों को संश्लेषित आणविक मोटर माना जाता है:



होस्ट-गेस्ट आणविक स्विच
होस्ट-गेस्ट रसायन शास्त्र में आणविक स्विचों की द्विस्थितिक अवस्थाएँ, अभ्यागतों के लिए इनके संबंध में भिन्न होती हैं। ऐसी प्रणालियों के कई प्रारंभिक उदाहरण क्राउन ईथर रसायन शास्त्र पर आधारित हैं। पहले पारस्परिक परिवर्तनीय होस्ट का वर्णन वर्ष 1978 में डेस्वर्गने और बुआस-लॉरेंट द्वारा किया गया था, जो प्रकाश-रसायन एन्थ्रेसीन द्विलकीकरण के माध्यम से एक क्राउन ईथर का निर्माण करते हैं। हालाँकि अकथित दृढ़तापूर्ण पारस्परिक परिवर्तनीय यौगिक प्रकाश-रसायन प्रेरण के बाद धनायन ग्रहण करने में सक्षम होता है और एसिटोनाइट्राइल के संपर्क में आने पर पुनः खुले रूप में आ जाता है।


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 * वर्ष 1980 में यमाशिता एट अल. ने पूर्व-सम्मिलित एन्थ्रेसीन इकाइयों (एक एन्थ्रेसेनोफेन) वाले एक क्राउन ईथर का निर्माण किया और आयन अंतर्ग्रहण एवं प्रकाशरसायन शास्त्र का तुलनात्मक अध्ययन भी किया।


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 * इसके अलावा 1980 में शिंकाई ने एंथ्रासीन यूनिट को एजोबेंजीन अंश के पक्ष में फोटोएंटेना के रूप में फेंका और पहली बार ऑन-ऑफ स्विच के साथ अणुओं के अस्तित्व की कल्पना की। 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 रुबिडियम (एक ही क्षार धातु समूह में दोनों बड़े आयन) के लिए वरीयता है। अंधेरे में रिवर्स आइसोमेराइजेशन होता है।


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 * शिंकाई इस उपकरण को वास्तविक आयन परिवहन में नियोजित करता है जो मोनेंसिन और नाइजेरिसिन 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 स्टोडार्ट ने रोटाक्सेन पर आधारित एक आणविक शटल का उपकरण बनाया, जिस पर एक आणविक मनका एक आणविक धागे पर स्थित दो डॉकिंग स्टेशनों के बीच शटल करने में सक्षम 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 अग्रदूत फ्रिट्ज़ वोगल द्वारा स्कूप किया गया, जो वास्तव में रोटाक्सेन पर आधारित एक स्विचेबल अणु प्रदान करता है, लेकिन संबंधित कैटेनेन पर आधारित होता 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 इस तरह से संशोधित किया कि एक इलेक्ट्रॉन-गरीब टेट्राकेशनिक साइक्लोफेन बीड में अब दो डॉकिंग स्टेशनों के बीच एक विकल्प है: एक बाइफेनोल और एक बेंज़िडाइन इकाई। 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, ट्राइफ्लूरोएसेटिक अम्ल के अतिरिक्त, बेन्ज़िडीन नाइट्रोजन परमाणुओं को प्रोटोनेट किया जाता है और बीड स्थायी रूप से बाइफेनोल स्टेशन पर तय होता है। एक ही प्रभाव इलेक्ट्रोकेमिकल ऑक्सीकरण (बैन्जीडाइन रेडिकल आयन बनाने) द्वारा प्राप्त किया जाता है और महत्वपूर्ण रूप से दोनों प्रक्रियाएं उलटा होती हैं।

2007 में एक प्रायोगिक DRAM सर्किट में आणविक शटल का उपयोग किया गया था। डिवाइस में 400 बॉटम सिलिकॉन नैनोवायर 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:


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 * डिवाइस में प्रत्येक बिट 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 टेट्राएरीलमेथेन स्टॉपर इसी तरह हाइड्रोफोबिक टाइटेनियम तार के समान है। स्विच की जमीनी अवस्था में, पैराक्वाट रिंग एक टेट्राथियाफुलवेलीन इकाई (लाल रंग में) के आसपास स्थित होती है, लेकिन यह डाइऑक्सीनेफ्थिल 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 सर्किट प्राप्त होता है जिसमें एक सफेद रक्त कोशिका के आकार के क्षेत्र पर 160,000 बिट्स होते हैं जो 1011 बिट्स प्रति वर्ग सेंटीमीटर में अनुवादित होते हैं।