ग्रे धूल की किंवदंतियां। कोलाइडल कणों की आण्विक-जैसी स्व-संयोजन प्राकृतिक जैविक नैनोसंरचनाओं की स्व-संयोजन

जैसा शिक्षात्मक कार्यक्रममैं एन.वी. की सामग्री का हवाला देता हूं। डोनेट्स्क नेशनल टेक्निकल यूनिवर्सिटी के छात्र रेब्रोव, जो, वर्तमान में यूक्रेन के "नेशनल गार्ड" द्वारा यहूदी कीव के निर्देश पर भारी हथियारों के साथ गोली मार दी जा रही है:

नैनोटेक्नोलॉजीज में सेल्फ-असेंबली

नैनोस्ट्रक्चर के निर्माण के लिए विभिन्न आशाजनक दृष्टिकोणों में, नैनोटेक्नोलॉजीज जो स्वयं-संगठन का उपयोग करती हैं, तेजी से महत्वपूर्ण होती जा रही हैं। यह माना जाता है कि स्व-संगठन एक बॉटम-अप तकनीक के रूप में व्यक्तिगत परमाणुओं से नैनोस्ट्रक्चर बनाना संभव बना देगा। आणविक स्व-संयोजन, नैनो प्रौद्योगिकी के शीर्ष-डाउन दृष्टिकोण के विपरीत, जैसे कि लिथोग्राफी, जहां वांछित नैनोस्ट्रक्चर एक बड़े वर्कपीस से निकलता है, बॉटम-अप दृष्टिकोण का एक महत्वपूर्ण घटक है, जहां वांछित नैनोस्ट्रक्चर अजीबोगरीब का परिणाम है। अणुओं के आकार और कार्यात्मक समूहों की प्रोग्रामिंग।

इन तकनीकों का उपयोग करके कौन से नैनोस्ट्रक्चर बनाए जा सकते हैं? हम विभिन्न सामग्रियों के बारे में बात कर रहे हैं, क्योंकि ये प्रौद्योगिकियां आपको उपकरण बनाने, परमाणुओं और अणुओं से बनाने की अनुमति देती हैं, जिस तरह से प्रकृति उनका उपयोग करती है, स्व-संगठन प्रक्रियाओं का उपयोग करती है। प्रकृति में, ऐसी प्रणालियाँ वास्तव में मौजूद हैं और इसी तरह की प्रक्रियाएँ की जाती हैं। सबसे महत्वपूर्ण उदाहरण डीएनए में दर्ज जानकारी के आधार पर सबसे जटिल जैविक वस्तुओं को इकट्ठा करने का उदाहरण है (चित्र 1 देखें)।

चित्र 1 - जैविक संरचना के स्व-संयोजन का एक उदाहरण

जैसा पहले था? हमने लोहे का एक टुकड़ा लिया और उसमें से एक हथौड़ा बनाया, बस सभी अनावश्यक चीजों ("टॉप-डाउन" तकनीक) को हटा दिया। निकट भविष्य में, नैनो तकनीक खरोंच से सामग्री से उत्पाद बनाना संभव बना देगी, और परमाणु को "मैन्युअल रूप से" परमाणु में मोड़ना हमेशा आवश्यक नहीं होगा; हम आत्म-संगठन की घटना का उपयोग करने में सक्षम होंगे, स्वयं -नैनोस्ट्रक्चर और नैनोडेविसेस की असेंबली। साथ ही, यह अपेक्षा करना मुश्किल है कि नैनोस्केल पर सामग्री के "मैनुअल" असेंबली के उद्देश्य से व्यक्तिगत नैनोऑब्जेक्ट्स को कृत्रिम रूप से हेरफेर करना संभव है। यह अभी तक व्यावहारिक नहीं है (धीमा और बहुत काम की आवश्यकता है)। इसलिए, स्व-संगठन नैनो सामग्री प्राप्त करने का एक स्वाभाविक तरीका हो सकता है।

स्व विधानसभा(इंग्लैंड। सेल्फ-असेंबली) प्रक्रियाओं का वर्णन करने के लिए एक शब्द है जिसके परिणामस्वरूप असंगठित सिस्टम, सिस्टम घटकों की विशिष्ट, स्थानीय बातचीत के कारण, एक आदेशित स्थिति में आते हैं।

स्व-संयोजन स्थिर और गतिशील दोनों हो सकता है। स्थैतिक स्व-संयोजन के मामले में, आयोजन प्रणाली अपनी मुक्त ऊर्जा को कम करते हुए, संतुलन की स्थिति के करीब पहुंचती है। गतिशील स्व-संयोजन के मामले में, शब्द का उपयोग करना अधिक सही है आत्म संगठन.

शास्त्रीय शब्दों में स्व-संगठन को आणविक इकाइयों के सहज और प्रतिवर्ती संगठन के रूप में वर्णित किया जा सकता है, जो गैर-सहसंयोजक बातचीत का उपयोग करके एक क्रमबद्ध संरचना में होता है। सहजता का अर्थ है कि एक स्व-इकट्ठे प्रणाली के गठन के लिए जिम्मेदार अंतःक्रियाएं स्थानीय स्तर पर खुद को प्रकट करती हैं, दूसरे शब्दों में, नैनोस्ट्रक्चर स्वयं का निर्माण करता है।

कुछ शर्तों के तहत, सूक्ष्म या नैनो-वस्तुएं स्वयं क्रमबद्ध संरचनाओं के रूप में बनने लगती हैं। प्रकृति के मौलिक नियमों के साथ कोई विरोधाभास नहीं है - इस मामले में प्रणाली अलग-थलग नहीं है, और नैनो-वस्तुओं पर कुछ बाहरी प्रभाव डाला जाता है। हालांकि, यह प्रभाव एक विशिष्ट कण पर निर्देशित नहीं होता है, जैसा कि "ऊपर से नीचे" को इकट्ठा करते समय होता है, लेकिन एक ही बार में। आपको आवश्यक संरचना को मैन्युअल रूप से बनाने की आवश्यकता नहीं है, नैनोऑब्जेक्ट्स को अंतरिक्ष के आवश्यक बिंदुओं में एक के बाद एक रखकर - बनाई गई स्थितियां ऐसी हैं कि नैनोऑब्जेक्ट्स इसे स्वयं और एक साथ करते हैं। ऐसी विशेष परिस्थितियों के निर्माण का उपयोग करने वाली प्रक्रियाओं को स्व-संयोजन प्रक्रिया कहा जाता है, और अब वे विज्ञान और प्रौद्योगिकी के कई क्षेत्रों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

स्व-संयोजन घटकों के लिए, एक व्यक्ति के लिए केवल इतना आवश्यक है कि उन्हें एक परखनली में पर्याप्त मात्रा में रखा जाए और उन्हें उनके प्राकृतिक गुणों के अनुसार वांछित विन्यास में स्वचालित रूप से इकट्ठा करने की अनुमति दी जाए।

आज तक, पं, पीडी, एजी, एयू, फे, सह नैनोक्रिस्टल, फे-पीटी, एयू-एजी मिश्र, सीडीएस / सीडीएसई, सीडीएसई / सीडीटीई, पीटी / फे, पीडी / नी के द्वि-आयामी और त्रि-आयामी संगठित सरणी नैनोस्ट्रक्चर को संश्लेषित किया गया है, आदि। इसके अलावा, अनिसोट्रोपिक नैनोकणों के लिए, ओरिएंटली ऑर्डर किए गए सरणियों के गठन को प्राप्त करना संभव था। समान आकार के नैनोकणों को स्थानिक रूप से क्रमबद्ध संरचनाओं में "इकट्ठे" किया जा सकता है, जो एक-आयामी "धागे", दो-आयामी घनी पैक वाली परतें, तीन-आयामी सरणी या "छोटे" क्लस्टर हैं। नैनोकणों के संगठन का प्रकार और परिणामी सरणी की संरचना संश्लेषण की स्थिति, कण व्यास और संरचना पर बाहरी प्रभाव की प्रकृति पर निर्भर करती है।

आज स्व-संयोजन के विभिन्न तरीकों को जाना जाता है, जो सूक्ष्म कणों से उपयोगी आदेशित संरचनाएं प्राप्त करना संभव बनाता है। विशेष परिस्थितियों का निर्माण करने के लिए जिसके तहत एक विशेष प्रणाली में आत्म-संयोजन होता है, गुरुत्वाकर्षण, विद्युत या चुंबकीय क्षेत्र, केशिका बल, सिस्टम घटकों की अस्थिरता-नॉन-वेटेबिलिटी पर खेलते हुए और अन्य तकनीकों का उपयोग किया जा सकता है। वर्तमान में, स्व-विधानसभा प्रक्रियाओं का उत्पादन में सक्रिय रूप से उपयोग किया जाने लगा है।

स्व-विधानसभा घटना का सार

आधुनिक विज्ञान में स्व-विधानसभा की घटना के प्रयोगात्मक अवलोकनों की एक बड़ी मात्रा में तथ्यात्मक सामग्री है। विशेष रूप से प्रभावशाली जैविक वस्तुओं के स्व-संयोजन के अवलोकन हैं, विशेष रूप से प्लांट वायरस के संयोजन पर क्लुग का काम, जिसे 1982 के नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था। स्व-संयोजन के प्रायोगिक अध्ययन मुख्य रूप से प्रकृति में पता लगाने वाले हैं और यह कैसे होता है इसका व्यापक ज्ञान प्रदान करते हैं। यह इस तरह से क्यों होता है और अन्यथा क्यों नहीं, यह आधुनिक प्राकृतिक विज्ञान के लिए एक चुनौती है।

आइए हम सभी पाठ्यपुस्तकों में वर्णित बैक्टीरियोफेज टी 4 वायरस के संयोजन के अच्छी तरह से अध्ययन किए गए परिदृश्य पर विचार करें और जो स्व-संयोजन के अध्ययन का एक उत्कृष्ट उद्देश्य है। स्क्रिप्ट का एक सरलीकृत संस्करण अंजीर में दिखाया गया है। 2. असेंबली में 54 प्रकार के प्रोटीन शामिल होते हैं, जो कड़ाई से एक निश्चित अनुक्रम में विभिन्न स्तरों के उपसमूहों में एकत्रित होते हैं, और फिर उप-समूहों को एक पूर्ण वायरल कण में इकट्ठा किया जाता है, जिसमें एक हजार से अधिक प्रोटीन अणु शामिल होते हैं। बेतरतीब ढंग से टकराने वाले अणुओं की स्टोकेस्टिक अवधारणाओं के माध्यम से इस सूक्ष्म रूप से समन्वित, विस्तृत पदानुक्रमित प्रक्रिया को मॉडल करने का कोई मतलब नहीं है।

चित्र 2 - बैक्टीरियोफेज T4 . के संयोजन का परिदृश्य

इसमें कोई संदेह नहीं है कि एक वायरस को इकट्ठा करने की प्रक्रिया नियतात्मक और नियंत्रणीय है, और इस प्रक्रिया को पूरी तरह से समझने के लिए, निर्धारण और नियंत्रण तंत्र के साधनों को परिभाषित करना आवश्यक है। बीसवीं शताब्दी के उत्तरार्ध में वैज्ञानिक सोच कंप्यूटर के निर्माण और प्रोटीन संश्लेषण नियंत्रण प्रणाली की खोज से प्रभावित थी। दोनों प्रणालियाँ वैचारिक रूप से समान हैं और संकेंद्रित प्रबंधन के सिद्धांत का प्रतीक हैं। केंद्रित नियंत्रण का वाहक एक संकेत प्रणाली है - एक रैखिक अनिवार्य नियंत्रण भाषा। यह बिल्कुल स्वाभाविक है कि स्व-संयोजन और स्व-प्रजनन प्रक्रियाओं के गणितीय मॉडलिंग के पहले प्रयास ऑटोमेटा के सिद्धांत के ढांचे के भीतर किए गए थे, उदाहरण के लिए, वॉन न्यूमैन। हालांकि, प्रयोगात्मक टिप्पणियों के डेटा ऐसे मॉडलों की स्थिरता की पुष्टि नहीं करते हैं। स्व-विधानसभा प्रक्रियाएं एक केंद्रित नियंत्रण योजना में फिट नहीं होती हैं।

प्रायोगिक डेटा हमें यह दावा करने की अनुमति देता है कि स्व-असेंबली की प्रक्रिया में कोई नियंत्रण तत्व नहीं है और किसी भी रूप में कोई संकेत प्रणाली नहीं पाई जाती है जो असेंबली कृत्यों के अनुक्रम या स्व-असेंबली उत्पादों की संरचना में तत्वों की व्यवस्था के क्रम का वर्णन करती है। . स्व-संयोजन की घटना की विशिष्टता इस तथ्य में निहित है कि प्रक्रिया निस्संदेह नियतात्मक है, लेकिन निर्धारण का तंत्र केंद्रित नियंत्रण की एक सरल और समझने योग्य विधि में फिट नहीं होता है।

स्व-असेंबली वितरित नियंत्रण पद्धति का एक कार्यान्वयन है, जिसमें प्रक्रिया में शामिल तत्वों की आंतरिक संरचना में नियंत्रण कार्यों को लागू किया जाता है, और प्रक्रिया को निर्धारित करने वाली नियंत्रण जानकारी सभी तत्वों में वितरित की जाती है। नतीजतन, वितरित नियंत्रण में दृढ़ संकल्प के वाहक विशिष्ट साइन सिस्टम हैं जो मूलभूत रूप से सरल अनिवार्य रैखिक भाषाओं से भिन्न होते हैं, जैसे कंप्यूटर भाषा या डीएनए-प्रोटीन प्रणाली। स्व-विधानसभा के अध्ययन का मुख्य कार्य तत्वों के संबंध के तर्क को निर्धारित करना और साइन सिस्टम, वितरित नियंत्रण के वाहक की खोज करना है।

एक काल्पनिक स्व-विधानसभा परिदृश्य पर विचार करें जो वितरित नियंत्रण को लागू करने की आवश्यकताओं को पूरा करता है। स्क्रिप्ट के कुछ चरणों को चित्र 3 में दिखाया गया है।

चित्र 3 - तत्वों की परस्पर क्रिया के लिए एक काल्पनिक परिदृश्य

आइए मान लें कि दो प्रकार के अणु, एक गेंद और एक एम्फोरा, सबसे सरल डिजाइन, एक ट्यूब के संयोजन में शामिल हैं। हम स्व-संयोजन के केवल तार्किक पहलू पर विचार करते हैं और अभी तक विवरण में बातचीत के भौतिक-रासायनिक आधारों को शामिल नहीं करते हैं। गेंद और एम्फ़ोरा अमूर्त हैं जो कुछ नियत असेंबल गतिविधि के लिए क्षमता से संपन्न हैं। तत्व में एक अमूर्त "संयोजन लॉक" पेश किया गया है। इंस्टालेशन एक्ट तभी संभव है जब लॉक कोड मेल खाते हों। एम्फ़ोरा और गेंद में अलग-अलग संयोजन ताले K1 और K2 हैं, इसलिए, पहले असेंबली चरण में, दो गेंदों को आपस में जोड़ा जाता है। नतीजतन, एक नए संयोजन लॉक K2 के साथ एक सबयूनिट बनता है। इसके अलावा, K2 कोड लॉक के साथ एक एम्फ़ोरा उप-इकाई के लिए डॉक किया गया है और K3 कोड लॉक के साथ एक "टूथ" उप-इकाई बनाई गई है। इसके अलावा, डिस्क को दांतों से सेक्टरों से बनाया जाता है, और डिस्क को एक ट्यूब में इकट्ठा किया जाता है। इस तरह के परिदृश्य को बनाने के लिए, एक प्रारंभिक विधानसभा अधिनियम के लिए एक प्रक्रिया तैयार करना आवश्यक है।

आइए एक प्रारंभिक असेंबली अधिनियम को चार चरणों वाली प्रक्रिया के रूप में परिभाषित करें:

.संयोजन लॉक का सक्रियण;

.मिलान लॉक कोड के साथ दो तत्वों की खोज और तालमेल;

ताले का संचालन

प्रक्रिया को जारी रखने के लिए एक नया संयोजन ताला बनाने, उनकी गतिविधि को बुझाने।

इस प्रकार, प्रत्येक असेंबली चरण में, असेंबली अधिनियम संयोजन ताले के राज्यों द्वारा निर्धारित किया जाता है, और असेंबली अधिनियम का निष्पादन एक नया कोड और एक नया लॉक उत्पन्न करने के साथ समाप्त होता है।

फिलहाल, ऐसे गणितीय उपकरण हैं जो स्व-संयोजन प्रक्रियाओं के तार्किक पहलू का वर्णन कर सकते हैं। स्ट्रीमिंग प्रोडक्शन सिस्टम साइन सिस्टम की आवश्यकताओं को पूरा करते हैं जो वितरित नियंत्रण का समर्थन करते हैं और तार्किक स्तर पर, स्व-संयोजन प्रक्रिया के निर्धारकों की भूमिका निभा सकते हैं। तत्काल अगला कार्य स्ट्रीमिंग उत्पादन प्रणालियों का निर्माण करने के लिए भौतिकविदों और जीवविज्ञानियों के साथ एक संयुक्त कार्य है जो तार्किक स्तर पर विशिष्ट वस्तुओं के स्व-संयोजन के वास्तविक परिदृश्यों का अनुकरण करता है। इसके बाद स्व-संयोजन प्रतिभागियों के तत्वों की भौतिक-रासायनिक संरचना में स्ट्रीमिंग उत्पादन प्रणालियों के तत्वों की खोज की जाएगी। ऐसे कार्यक्रमों के लिए सबसे बड़ी तत्परता पादप विषाणु अनुसंधान के क्षेत्र में है। ...

अगर किसी को लगता है कि डोनेट्स्क विश्वविद्यालय के एक छात्र एन.वी. रेब्रोव ने यहां बकवास लिखा है, मैं उस सामग्री का हवाला दे रहा हूं जिसे मैंने 20 साल पहले पढ़ा था और जिसे मैं अपनी किताब में लाया था "जीवन की ज्यामिति" .

कार्बनिक संरचनाओं के "ऑटो-असेंबली" के बारे में सोवियत संघ का एक बहुत ही महत्वपूर्ण अवलोकन है। शिक्षाविद वी.ए. एंजेलहार्ट(1894-1984).

यहाँ वह इस घटना के बारे में लेख में क्या लिखता है "जीवन की कुछ विशेषताओं पर: पदानुक्रम, एकीकरण," मान्यता "।(लेख संग्रह में प्रकाशित हुआ था: "दर्शन, प्राकृतिक विज्ञान, आधुनिकता", मॉस्को, "मैस्ल", 1981)।

"मान्यता" की घटना और, एक ही समय में, एक विशेष रूप से विशिष्ट, लगभग नेत्रहीन रूप में एकीकरण (यदि हम एक इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप की मदद का सहारा लेते हैं), तथाकथित स्व-विधानसभा की प्रक्रियाओं में व्यक्त किए जाते हैं सुपरमॉलेक्यूलर संरचनाओं, जैसे कि वायरस और फेज, राइबोसोम या एक जटिल संरचना वाले एंजाइम कण ... इस तरह की बड़ी संख्या में प्रक्रियाओं का पहले ही विस्तार से अध्ययन किया जा चुका है। वे अनिवार्य रूप से इस तथ्य तक उबालते हैं कि यदि एक जटिल, बहु-घटक वस्तु को कुछ कोमल तरीकों से उसके घटक भागों में कृत्रिम रूप से विघटित किया जाता है, तो उन्हें एक दूसरे से अलग किया जाता है, और फिर उचित अनुपात में मिलाकर अनुकूल परिस्थितियों का निर्माण किया जाता है, तो वे स्वचालित रूप से फिर से इकट्ठा हो जाएंगे उनकी मूल अखंडता में। इसकी उपयोगिता इस तथ्य से आसानी से और अत्यंत ठोस प्रमाण के साथ है कि न केवल इसकी मूल रूपात्मक संरचना को बहाल किया गया है, बल्कि इसके विशिष्ट जैविक गुण भी हैं, उदाहरण के लिए, एंजाइमों में उत्प्रेरक गतिविधि, वायरस में संक्रामक गुण, आदि।

जैसा कि आप सभी दोस्तों, आप समझते हैं, वर्णित प्रक्रियाओं का प्रवाह "मान्यता"तथा स्व-समूहनआणविक संरचनाएं कुछ "संपूर्ण" और एक ही समय में पुनर्जीवित करना, चेतन करना(!), प्रक्रियाओं के बिना प्रतिनिधित्व नहीं किया जा सकता मैक्रोवर्ल्ड के साथ माइक्रोवर्ल्ड की सूचना और ऊर्जा बातचीत... कैसे मैक्रो- और माइक्रोवर्ल्ड आय के बीच सूचना और ऊर्जा बातचीत की ऐसी प्रक्रिया को सोवियत वैज्ञानिक, प्रोफेसर अलेक्जेंडर लियोनिदोविच चिज़ेव्स्की (1897-1964), एक नए विज्ञान के निर्माता द्वारा स्पष्ट रूप से वर्णित किया गया था - " हेलियोबायोलॉजी ".

"जैविक दुनिया के विकास की प्रक्रिया एक स्वतंत्र, स्वायत्त, आत्मनिर्भर प्रक्रिया नहीं है, बल्कि स्थलीय और ब्रह्मांडीय कारकों की कार्रवाई का परिणाम है, जिनमें से बाद वाले सबसे महत्वपूर्ण हैं, क्योंकि वे राज्य की स्थिति निर्धारित करते हैं स्थलीय वातावरण।किसी भी समय, जैविक दुनिया ब्रह्मांडीय वातावरण के प्रभाव में होती है और सबसे अधिक संवेदनशील रूप से अपने कार्यों में, ब्रह्मांडीय वातावरण में होने वाले परिवर्तनों या उतार-चढ़ाव को दर्शाती है। हम इस निर्भरता की आसानी से कल्पना कर सकते हैं यदि हमें याद है कि हमारे सूर्य के तापमान में एक छोटा सा बदलाव भी पूरे जैविक दुनिया में सबसे शानदार, अविश्वसनीय परिवर्तन का कारण बन सकता है। और तापमान जैसे कई महत्वपूर्ण कारक हैं: अंतरिक्ष पर्यावरण समय-समय पर सैकड़ों अलग-अलग, लगातार बदलती और उतार-चढ़ाव वाली ताकतों को हमारे पास लाता है। सूर्य और तारों से आने वाले कुछ विद्युत चुम्बकीय विकिरण को बहुत बड़ी संख्या में श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है, जो एक दूसरे से तरंग दैर्ध्य, ऊर्जा की मात्रा, पारगम्यता की डिग्री और कई अन्य गुणों में भिन्न होते हैं ... "

मेरे लिए केवल यह जोड़ना बाकी है: जैसे वे प्रकृति में सिद्धांत के अनुसार पैदा हुए हैं "स्व-विधानसभा"विभिन्न वायरस और फेज, जैसे समुद्र में "स्व-संयोजन" के सिद्धांत के अनुसार विश्व प्रसारणजिसे प्राचीन ऋषियों ने ठीक ही माना था जिंदगी का झूलाऔर गर्मी और प्रकाश के प्रसार के लिए पर्यावरण, सामान्य रूप से सभी जीवन का जन्म हुआ। इस जानकारी को समझते समय, मैं इस तथ्य को ध्यान में रखने की सलाह दूंगा कि सहज पीढ़ीपृथ्वी पर जटिल जीवन रूप कभी - कभीऔर ये विकासवादी प्रक्रियाएं, जाहिरा तौर पर, वैश्विक स्तर की प्रलय से जुड़ी हैं, जैसे कि पृथ्वी के ध्रुवों का परिवर्तन या पृथ्वी पर विशाल क्षुद्रग्रहों का गिरना। प्रकृति में, कुछ भी आकस्मिक नहीं है, सब कुछ प्राकृतिक है, इसलिए, कोई भी वैश्विक प्रक्रियाअनिवार्य रूप से किसी अन्य के साथ जुड़ा हुआ है वैश्विक प्रक्रिया... और जब कुछ मर जाता हैएक ग्रह पर या एक ब्रह्मांडीय पैमाने पर भी, कुछ और जन्माएक ही समय में।

हाल के वर्षों में, "स्व-संगठन" की अवधारणा का व्यापक रूप से भौतिक, रासायनिक, जैविक और यहां तक ​​कि आर्थिक और सामाजिक प्रणालियों में समान घटनाओं का वर्णन और व्याख्या करने के लिए उपयोग किया गया है। ऐसा प्रतीत होता है कि, आम तौर पर स्वीकृत थर्मोडायनामिक कानूनों के विपरीत, एक वितरित गतिशील प्रणाली में जिसमें इसके अंतर्निहित सरल तत्व होते हैं, क्रम प्रकट होता है - जटिल संरचनाएं, जटिल व्यवहार, या जटिल अनुपात-अस्थायी घटना। इस मामले में, उभरती संरचनाओं के गुण सिस्टम के प्रारंभिक तत्वों के गुणों से मौलिक रूप से भिन्न होते हैं। और सबसे आश्चर्यजनक बात यह है कि व्यवस्था में स्व-संगठन एक सजातीय अवस्था से स्वतःस्फूर्त रूप से प्रकट होता है।

स्व-संगठन प्रणालियों में एक संरचना के सहज गठन की एक घटना है जो उनकी भौतिक प्रकृति में भिन्न होती है। एक संरचना के स्वतःस्फूर्त उद्भव का अर्थ है, बिना किसी बाहरी प्रभाव के सिस्टम घटकों के प्रारंभिक यादृच्छिक वितरण में एक क्रमबद्ध राज्य की उपस्थिति। सामान्य स्थिति में, आदेशित राज्य प्रणाली के भौतिक घटकों का स्थानिक रूप से गैर-समान वितरण हो सकता है जो समय पर बना रहता है; सिस्टम घटकों की सांद्रता में लगातार उतार-चढ़ाव जब वे दो या दो से अधिक मूल्यों के बीच दोलन करते हैं; घटकों के क्रमबद्ध सामूहिक व्यवहार के अधिक जटिल रूप। एक संरचना का निर्माण भौतिक उपकरणों जैसे कि लेजर और रासायनिक प्रतिक्रिया मीडिया और जैविक ऊतकों, जीवित जीवों के समुदायों, भूवैज्ञानिक और मौसम संबंधी प्रक्रियाओं और मानव समाज की सामाजिक घटनाओं दोनों में समान रूप से निहित है। अलग-अलग प्रकृति की प्रणालियों के लिए स्व-संगठन तंत्र अलग-अलग होते हैं, लेकिन फिर भी, वे सभी कुछ सामान्य संरचनात्मक और गतिशील विशेषताओं को साझा करते हैं।

विभिन्न प्रकृति की प्रणालियाँ अलग-अलग, अक्सर एक-दूसरे से तीव्र रूप से भिन्न, स्व-संगठन की जटिलता के स्तरों के अनुरूप हो सकती हैं। यह जटिलता स्व-संगठन प्रणाली की प्रकृति से निर्धारित होती है - इसकी संरचना और व्यवहार की जटिलता, घटकों की बातचीत के गतिशील तंत्र। इस प्रकार, बैक्टीरिया और वायरस की तुलना में सामूहिक कीड़ों (मधुमक्खियों, दीमक, चींटियों) का अधिक जटिल व्यवहार सामूहिक कीड़ों के समुदाय में व्यवहार के स्व-संगठन की बहुत अधिक जटिल प्रक्रियाओं को रेखांकित करता है। इसी समय, इसकी जटिलता के अपेक्षाकृत सरल स्तरों पर स्व-संगठन प्रक्रियाओं की विशिष्ट अभिव्यक्तियाँ अधिक जटिल स्तर पर घटना के अभिन्न अंग के रूप में कार्य कर सकती हैं।

भौतिक प्रणालियों में स्व-संगठन के ज्वलंत और सुसंगत उदाहरण पाए गए हैं। स्व-संगठन की अवधारणा रासायनिक घटनाओं तक फैली हुई है, जहां, इसके साथ, "स्व-विधानसभा" शब्द का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। और जीव विज्ञान में, २०वीं शताब्दी के उत्तरार्ध के दौरान, आत्म-संगठन जैविक प्रणालियों की गतिशीलता का वर्णन करने में केंद्रीय अवधारणा बन गया, इंट्रासेल्युलर प्रक्रियाओं से लेकर पारिस्थितिक तंत्र के विकास तक। इस प्रकार, स्व-संगठन एक अंतःविषय घटना है और ज्ञान के क्षेत्र से संबंधित है जिसे आमतौर पर कहा जाता है साइबरनेटिक्सया अधिक संकीर्ण - तालमेल।

स्व-संगठन की कोई भी विशिष्ट प्रक्रिया किसी न किसी प्रकार के द्वैतवाद पर आधारित होती है। एक ओर, प्रणाली का स्व-संगठन विशिष्ट भौतिक, रासायनिक या कुछ अन्य तंत्रों द्वारा किया जाता है। दूसरी ओर, सिस्टम को स्व-संगठन करने के लिए, सभी स्व-संगठन प्रणालियों के लिए सामान्य साइबरनेटिक शर्तों को पूरा करना आवश्यक है - स्व-संगठन के सामान्य सिद्धांत।

• 1. स्व-संगठन की प्रक्रियाएं वितरित गतिशील प्रणालियों में उत्पन्न होती हैं। एक वितरित प्रणाली बड़ी संख्या में व्यक्तिगत घटकों, तत्वों का एक संग्रह होना चाहिए जो सिस्टम को बनाते हैं। इनमें रासायनिक प्रतिक्रिया-प्रसार प्रणाली में व्यक्तिगत अणु, मछली के एक स्कूल में व्यक्ति, एक वर्ग में एकत्रित भीड़ में व्यक्ति शामिल हो सकते हैं। इन घटकों को एक दूसरे के साथ बातचीत करनी चाहिए, अर्थात, सिस्टम गतिशील होना चाहिए, गतिशील तंत्र के आधार पर काम करना चाहिए।
• 2. स्व-संगठन प्रक्रियाओं की एक महत्वपूर्ण विशेषता यह है कि उन्हें खुली प्रणालियों में किया जाता है। थर्मोडायनामिक रूप से बंद प्रणाली में, समय में विकास प्रणाली के एन्ट्रापी के अधिकतम मूल्य के साथ संतुलन की स्थिति की ओर जाता है। और, बोल्ट्जमैन के अनुसार, यह एक राज्य है जिसमें अधिकतम यादृच्छिकता है।
• 3. सिस्टम को सकारात्मक और नकारात्मक फीडबैक दिखाना चाहिए। एक गतिशील प्रणाली में होने वाली प्रक्रियाएं इन प्रक्रियाओं में शामिल सिस्टम के घटकों के बीच प्रारंभिक संबंधों को बदल देती हैं। इसे सशर्त रूप से सिस्टम के आउटपुट में परिवर्तन कहा जा सकता है। साथ ही, ये घटक सिस्टम में होने वाली प्रक्रियाओं के लिए प्रारंभिक हैं, वे सिस्टम के प्रवेश द्वार पर भी पैरामीटर हैं। यदि सिस्टम के आउटपुट में परिवर्तन इनपुट मापदंडों को इस तरह से प्रभावित करते हैं कि आउटपुट में परिवर्तन बढ़ जाते हैं, तो इसे कहा जाता है सकारात्मक प्रतिक्रिया।अंतर्गत नकारात्मक प्रतिपुष्टिइसका मतलब एक ऐसी स्थिति है जब सिस्टम में गतिशील प्रक्रियाएं बाहर निकलने पर एक स्थिर स्थिति बनाए रखती हैं। सामान्य तौर पर, सकारात्मक और नकारात्मक फीडबैक वाली गतिशील प्रणालियों को गैर-रेखीय अंतर समीकरणों द्वारा तैयार किया जाता है। यह स्व-संगठन में सक्षम प्रणालियों की गैर-रेखीय प्रकृति का प्रतिबिंब है - मुख्य, जाहिरा तौर पर, सिस्टम की संपत्ति, जो स्वयं-संगठन की क्षमता को निर्धारित करती है।

स्व-विधानसभा का एक रासायनिक मूल है। इसे 1987 में फ्रांसीसी रसायनज्ञ जे.एम. द्वारा पेश किया गया था। स्व-संगठन की कई घटनाओं के बीच अंतर करने के लिए फ्लेक्स सिस्टम में सहज संरचना निर्माण की प्रक्रियाएं जो थर्मोडायनामिक संतुलन की स्थिति में हैं। दरअसल, इस तरह की संरचना निर्माण प्रक्रियाओं की एक बड़ी संख्या को संतुलन के तहत जाना जाता है, या बल्कि, संतुलन के करीब की स्थिति। उनमें से, उदाहरण के लिए, बहुलक अणुओं में "हेलिक्स-कॉइल" संक्रमण, क्रिस्टलीकरण तक एम्फीफिलिक अणुओं (मिसेल, लिपोसोम, बिलेयर्स) आदि की सुपरमॉलेक्यूलर संरचनाओं का निर्माण। मूल रूप से, "सेल्फ-असेंबली" शब्द का प्रयोग आणविक प्रणालियों के संबंध में किया जाता है। फिर भी, अन्य माइक्रोमीटर संरचनाओं के मामले में स्व-संयोजन के लिए जिम्मेदार प्रक्रियाएं भी पाई गईं।

स्व विधानसभाएक ऐसी प्रक्रिया कहलाती है जिसमें एक मिश्रण के अलग-अलग घटकों या घटकों से उनकी कुल ऊर्जा को कम करने के कारण एक स्वचालित रूप से आदेशित एकल (कुल) बनता है। प्रकृति में, बड़ी संख्या में मैक्रोमोलेक्यूल्स (जैसे प्रोटीन, मिसेल, लिपोसोम और कोलाइड्स) की अंतिम रचना तह प्रक्रिया के दौरान स्व-संयोजन द्वारा बनाई जाती है। प्राकृतिक स्व-संयोजन के कई उदाहरण हैं जो प्राकृतिक शक्तियों के प्रभाव में अनायास घटित होते हैं। इस तरह के प्राकृतिक स्व-संयोजन सभी स्तरों पर (आणविक से मैक्रोमोलेक्यूलर तक) और जीवित पदार्थ की विभिन्न प्रणालियों में देखे जाते हैं।

नैनोटेक्नोलॉजी में सेल्फ-असेंबली में क्रिस्टल के बढ़ने से लेकर संपूर्ण जैविक जीवों के निर्माण तक की अवधारणाओं और संरचना को जटिल बनाने के तरीकों की एक विस्तृत श्रृंखला शामिल है। इस तरह के स्व-संयोजन के दौरान प्राकृतिक तंत्रों की मदद से, विभिन्न नैनोस्ट्रक्चर और फिर आवश्यक भौतिक-रासायनिक गुणों के साथ बड़ी प्रणालियों और सामग्रियों को बनाना और बनाना संभव है। बढ़े हुए विषम समुच्चय विभिन्न जटिल कार्यों को करने या असामान्य गुणों वाली सामग्री के नए रूप बनाने के लिए उपयुक्त होने चाहिए।

आणविक "बिल्डिंग" ब्लॉकों से आवश्यक कृत्रिम नैनोस्ट्रक्चर के निर्देशित स्व-संयोजन का कार्यान्वयन नैनो तकनीक का मुख्य कार्य है। बेशक, इसे हल करने के लिए, आणविक "बिल्डिंग" ब्लॉक, नैनोस्ट्रक्चर की स्थानिक व्यवस्था, कंप्यूटर आणविक मॉडलिंग के परिणाम, साथ ही बायोनिक डेटा के बीच इंटरमॉलिक्युलर इंटरैक्शन के बारे में जानकारी का उपयोग करना आवश्यक है। बायोनिक्स का अर्थ है कृत्रिम वस्तुओं का उत्पादन जो जैविक पदार्थों की संरचनाओं और कार्यों के आधार पर प्राकृतिक प्रणालियों की नकल करते हैं।

स्व-संयोजन मुख्य प्रक्रिया (या प्रेरक शक्ति) है जो निर्जीव पदार्थ से जैविक दुनिया के विकास की ओर ले जाती है। आत्म-संयोजन को समझना, प्रेरित करना और निर्देशित करना नैनो प्रौद्योगिकी के लिए क्रमिक बॉटम-अप संक्रमण की कुंजी है। यदि आप स्व-संयोजन के सिद्धांतों को जानते हैं, तो आप अंतर-आणविक संपर्क की विभिन्न शक्तियों की भूमिका को समझ सकते हैं जो इस स्व-संयोजन को नियंत्रित करती हैं। आवश्यक स्व-संयोजन प्रक्रिया को प्रेरित और नियंत्रित करने के लिए, विभिन्न परिस्थितियों में स्व-संयोजन प्रक्रिया के मॉडल और भविष्यवाणी करने में सक्षम होना भी आवश्यक है।

स्व-संयोजन की सफलता पाँच कारकों द्वारा पूर्व निर्धारित होती है:

• 1. आणविक बिल्डिंग ब्लॉक्स की उपस्थिति। 1 से 100 एनएम की सीमा में बड़े अणुओं की स्व-संयोजन, नैनो प्रौद्योगिकी के लिए सबसे बड़ी रुचि है। इसके अलावा, प्रारंभिक आणविक "बिल्डिंग" ब्लॉक जितना बड़ा और अच्छी तरह से संरचित होता है, बाकी अणुओं और उनकी बातचीत पर तकनीकी नियंत्रण का स्तर उतना ही अधिक होता है, जो स्व-संयोजन प्रक्रिया को बहुत सुविधाजनक बनाता है। डायमंडोइड्स, हाइड्रोकार्बन जिसमें कार्बन परमाणु एक टेट्राहेड्रल स्थानिक जाली बनाते हैं, ठीक उसी तरह जैसे हीरे (एडमैंटेन्स, डायमैंटेन्स और ट्रायमैंटेन्स) में होता है, आणविक "बिल्डिंग" ब्लॉकों की सबसे सार्वभौमिक और आशाजनक श्रेणियां मानी जा सकती हैं।
• 2. इंटरमॉलिक्युलर इंटरैक्शन।आमतौर पर, आत्म-संयोजन प्रदान करने वाली ताकतें कमजोर गैर-सहसंयोजक इंटरमॉलिक्युलर बॉन्ड द्वारा निर्धारित की जाती हैं: इलेक्ट्रोस्टैटिक और हाइड्रोजन बॉन्ड, वैन डेर वाल्स, ध्रुवीय, हाइड्रोफोबिक और हाइड्रोफिलिक इंटरैक्शन। अलग-अलग हिस्सों की अनुकूलता और पूरे स्व-विधानसभा परिसर की स्थिरता प्रत्येक आणविक साइट की रचना के लिए बड़ी संख्या में ऐसे कमजोर इंटरैक्शन द्वारा प्रदान की जाती है। कमजोर अंतःक्रियाओं पर निर्मित एक स्थिर स्व-संयोजन का एक उदाहरण प्रोटीन की संरचना है।
• 3. प्रक्रिया की प्रतिवर्तीता।नैनोटेक्नोलॉजी में मौजूदा और साथ ही प्रस्तावित सेल्फ-असेंबली को नियंत्रित किया जाता है, लेकिन स्वतःस्फूर्त प्रक्रियाएं होती हैं, जिसके दौरान आणविक "बिल्डिंग" ब्लॉकों को आवश्यक ऑर्डर किए गए असेंबली या कॉम्प्लेक्स में जोड़ा जाता है। ऐसी प्रक्रिया के स्वतःस्फूर्त होने के लिए, इसे प्रतिवर्ती तरीके से किया जाना चाहिए।
• 4. अणुओं की गतिशीलता सुनिश्चित करना।स्व-संयोजन प्रक्रिया की गतिशील प्रकृति के कारण, इसे एक तरल माध्यम की आवश्यकता होती है। संभावित बाहरी वातावरण में शामिल हो सकते हैं: तरल पदार्थ, गैसें, एक सुपरक्रिटिकल अवस्था में तरल पदार्थ, तरल चरण से क्रिस्टल और तरल पदार्थ के बीच इंटरफेस, आदि। इन सभी मामलों में, स्व-संयोजन के दौरान, गतिशील विनिमय प्रक्रियाएं न्यूनतम तक पहुंचने की दिशा में होनी चाहिए। ऊर्जा मूल्य प्रणाली।
• 5. प्रक्रिया प्रवाह पर्यावरण।स्व-संयोजन पर्यावरण से बहुत प्रभावित होता है। परिणामी आणविक समुच्चय कणों का एक क्रमबद्ध सेट होता है जिसमें थर्मोडायनामिक रूप से सबसे स्थिर संरचना होती है। स्व-संयोजन एक तरल और एक गैसीय माध्यम ("घने गैस - सुपरक्रिटिकल तरल पदार्थ" माध्यम सहित) में होता है, क्रिस्टल-द्रव इंटरफ़ेस के पास या गैस-तरल इंटरफ़ेस पर।

असेंबली के प्रत्येक चरण में, कम से कम एक घटक को विलायक में स्वतंत्र रूप से फैलाना चाहिए ताकि सभी संभावित स्थितियों और झुकावों की जांच के बाद केवल इसके लिए एक विशिष्ट बाध्यकारी साइट मिल सके। इसके लिए यह आवश्यक है कि घटक घुलनशील हो, इसकी विशिष्ट बाध्यकारी साइट की सतह के लिए एक सतह पूरक हो, और यह कि पहिले और घटक की अन्य सभी सतहें उनके स्थिर बंधन को रोकने के लिए गैर-पूरक हों। ये पैरामीटर कार्यात्मक आवश्यकताओं के पूरक हैं: स्व-विधानसभा का उपयोग करके जटिल संरचनाओं के निर्माण के लिए, प्राकृतिक परिस्थितियों में सामग्री और काम करने का वातावरण सबसे उपयुक्त है। इस प्रक्रिया का उपयोग सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान में सफलता के साथ किया गया है और इसका व्यापक रूप से आणविक क्रिस्टलीकरण को नियंत्रित करने के लिए भी उपयोग किया जाता है।

स्व-विधानसभा पद्धति पर विचार करें। इसके दो प्रकार होते हैं, जो होने वाली दो प्रक्रियाओं पर आधारित होते हैं, पहला, तरल और ठोस चरणों के बीच अंतरापृष्ठ पर और दूसरा, द्रव चरण के भीतर। द्रव चरण को तरल, वाष्प या सघन गैस (सुपरक्रिटिकल अवस्था में) के रूप में लिया जा सकता है।

कई प्रयोगशाला स्व-संयोजन विधियाँ हैं जो अणुओं के जुड़ाव के लिए एक बाहरी माध्यम के रूप में एक तरल माध्यम का उपयोग करती हैं, और एक ठोस सतह को न्यूक्लियेशन और विकास के आधार के रूप में उपयोग करती हैं।

अणु और सतह के बीच सहसंयोजक या गैर-सहसंयोजक बंधों के निर्माण द्वारा स्व-संयोजन के लिए उपयोग किए जाने वाले ठोस सब्सट्रेट पर असेंबली के लिए बीज के रूप में अणुओं का निर्धारण किया जा सकता है। पूर्व कारण अपरिवर्तनीय है और इसलिए, विधानसभा के सभी चरणों में स्थिर निर्धारण। उत्तरार्द्ध की मदद से निर्धारण एक प्रतिवर्ती प्रक्रिया है, जिसकी शुरुआत में यह अस्थिर है, लेकिन स्व-संयोजन प्रक्रिया के संगत विकास के साथ स्थिर हो जाता है।

सहसंयोजक बंधन, जो अक्सर निर्धारण के लिए उपयोग किया जाता है, एक महान धातु के साथ सल्फाइड का बंधन है। ऐसा ही एक उदाहरण थियोल युक्त अणुओं (जैसे एल्केनेथिओल चेन या उनकी संरचना में सिस्टीन युक्त प्रोटीन) और सोने के बीच सहसंयोजक बंधन है। निर्धारण के लिए उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट गैर-सहसंयोजक बंधों में निम्नलिखित तीन प्रकार के बंधन शामिल हैं: 1) एंटीबॉडी के लिए आत्मीयता की ऊर्जा के कारण; 2) बायोटिन-स्ट्रेप्टाविडिन प्रणाली और इसके संशोधन का उपयोग करके आत्मीयता की ऊर्जा के कारण; 3) निश्चित धातु आयनों के साथ जटिलता।

एक मोनोलेयर की स्व-संयोजन का बहुत व्यावहारिक महत्व है। परिभाषा के अनुसार, एक स्व-इकट्ठे मोनोलेयर एक-अणु-मोटी दो-आयामी फिल्म है जो एक ठोस सतह के साथ सहसंयोजक बंधन बनाती है। एक मोनोलेयर की सेल्फ-असेंबली का व्यापक रूप से नैनोटेक्नोलॉजी में उपयोग किया जाता है, जिसमें नैनोलिथोग्राफी शामिल है, चिपकने वाले गुणों और सतहों की गीली विशेषताओं को संशोधित करने में, रासायनिक और जैविक सेंसर के विकास में, माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक सर्किट में परतों को इन्सुलेट करने और नैनोडेविसेस के निर्माण आदि में।

स्व-संयोजन प्रोटीन मोनोलयर्स (एसएसएम) के उत्पादन के विभिन्न तरीके:

आइए एक प्रोटीन मोनोलेयर के स्व-संयोजन के विभिन्न तरीकों पर विचार करें (चित्र 6.14)।

• 1. शारीरिक सोखना।यह तकनीक कार्बन इलेक्ट्रोड, धातु ऑक्साइड या सिलिकॉन ऑक्साइड जैसी कठोर सतहों पर प्रोटीन के सोखने पर आधारित है। अधिशोषित प्रोटीन बेतरतीब ढंग से उन्मुख प्रोटीन के साथ एक स्व-संयोजन मोनोलेयर बनाते हैं। जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है, प्रोटीन और सतह को संशोधित करके अभिविन्यास विशेषताओं के नियंत्रण में सुधार किया जा सकता है। 6.14ए.
• 2. पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स या प्रवाहकीय पॉलिमर का समावेश,जो एक मैट्रिक्स के रूप में काम कर सकता है, जिसकी सतह प्रोटीन को पकड़ती है, ठीक करती है और सोखती है। यह प्रक्रिया अंजीर में दिखाई गई है। ६.१४६.
• 3. एल्केनिथिओल श्रृंखलाओं के एक स्व-इकट्ठे मोनोलेयर में शामिल करनाएक उत्कृष्ट धातु पर एक झिल्ली जैसा मोनोलेयर बनाता है, जबकि प्रोटीन भौतिक सोखना (ए) हो सकता है; पॉलीइलेक्ट्रोलाइट्स या प्रवाहकीय पॉलिमर (बी) में प्रोटीन का संसेचन; सीसीएम (सी) में प्रतिच्छेदन; एक गैर-उन्मुख स्थान के साथ एसएसएम में शामिल होना ( जी); एक उन्मुख स्थान (बी) के साथ एसएसएम में शामिल होना; सोने की सतह (ई) के लिए प्रत्यक्ष साइट-विशिष्ट लगाव।

किसी विशेष अभिविन्यास में स्थित नहीं है। यदि विभिन्न लंबाई की जंजीरों का उपयोग किया जाता है (डेंट और गड्ढों का निर्माण), तो यह स्व-संयोजन मोनोलेयर की एक निश्चित स्थलाकृति का निर्धारण करेगा, जो बदले में, प्रोटीन को उन्मुख कर सकता है (चित्र। 6.14c)।

• 4. एक स्व-संयोजन मोनोलेयर के लिए गैर-उन्मुख लगाव।इस मामले में, एक स्व-संयोजन मोनोलेयर बनाने वाली श्रृंखलाओं के सिरों पर कार्यात्मक समूह होते हैं जो प्रोटीन के विभिन्न क्षेत्रों के साथ गैर-विशिष्ट तरीके से प्रतिक्रिया करते हैं। इस कारण से, प्रोटीन का अभिविन्यास यादृच्छिक है, जैसा कि अंजीर में दिखाया गया है। 6.14 ग्राम
• 5. एक स्व-इकट्ठे मोनोलेयर के लिए उन्मुख लगाव।असेंबली सिद्धांत पिछले मामले की तरह ही हैं, लेकिन यहां कार्यात्मक समूह विशेष रूप से केवल एक निश्चित डोमेन या इस डोमेन के हिस्से के साथ बातचीत करता है, और इसलिए, एक स्पष्ट रूप से व्यक्त अभिविन्यास किया जाता है। इस प्रयोजन के लिए प्रोटीन की संरचना को रासायनिक या आनुवंशिक रूप से संशोधित किया जा सकता है। यह स्व-विधानसभा विधि अंजीर में दिखाई गई है। 6.14डी.
• 6. सोने का प्रत्यक्ष चयनात्मक पालन।यह तब होता है जब सिस्टीन, जिसमें अद्वितीय गुण होते हैं, सोने की सतह से बंध जाते हैं। इस मामले में, अभिविन्यास पूरी तरह से नियंत्रित है। यह कनेक्शन विकल्प अंजीर में दिखाया गया है। 6.14f.

स्ट्रेन-गाइडेड सेल्फ-असेंबली का उपयोग तारों और स्विचों के निर्माण और कनेक्शन में किया जाता है। लिथोग्राफिक रूप से निर्दिष्ट राहत वाली सतह को विरूपण की स्थितियों के तहत नियंत्रित संरचना के जमा पदार्थ के साथ लगाया जाता है। एक कार्यात्मक समूह को सब्सट्रेट में पेश किया जा सकता है, जो आमतौर पर सतह की कार्यक्षमता से जुड़ा होता है। इस स्व-संयोजन विधि का उपयोग किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, अर्धचालक उपकरणों के निर्माण में, जहां स्व-संयोजन प्रक्रिया की प्रगति और इसके पूरा होने को पूरी तरह से नियंत्रित करने के लिए एक ठोस सब्सट्रेट पर सिस्टम घटकों को ठीक करना आवश्यक है।

डीएनए गाइडेड असेंबली डायग्राम

डीएनए का उपयोग साइट-चयनात्मक निर्धारण और बाइंडर दोनों के लिए किया जा सकता है, जिसके परिणामस्वरूप नैनोस्ट्रक्चर के स्व-संयोजन के लिए एक जालीदार ढांचा होता है। BIO और CTB के बीच दो पूरक डीएनए स्ट्रैंड, एंटीजन और एंटीबॉडी के बीच विशिष्ट इंटरैक्शन का उपयोग करके एक न्यूक्लिक एसिड और एक प्रोटीन के संयुग्म का संश्लेषण प्रभावी तंत्र प्रदान कर सकता है जो नैनोस्ट्रक्चर मॉड्यूल के लगाव की दिशा निर्धारित करता है (चित्र। 6.15)।

सोने की सतह पर तय डीएनए अनुक्रमों में हेरफेर करने के तरीकों में आनुवंशिक इंजीनियरिंग में हालिया प्रगति, जैसे डोपिंग, स्व-संयोजन प्रक्रिया पर नियंत्रण को और बढ़ा देती है। इसी तरह की विधि का उपयोग अकार्बनिक पदार्थों के अणुओं के नैनोक्रिस्टल के आकार तक पहुंचने के मामले में किया जा सकता है। डीएनए का उपयोग टेम्पलेट संश्लेषण के लिए भी किया जा सकता है। इस तरह के संश्लेषण का एक उदाहरण आधार के रूप में डीएनए का उपयोग करके चांदी के नैनोवायरों का निर्माण है।

होनहार यौगिकों और स्व-संयोजनों की खोज करने का एक प्रभावी तरीका गतिशील कॉम्बिनेटरियल केमिस्ट्री की उपलब्धियों को लागू करना है, जो नैनो टेक्नोलॉजी के लिए एक विकासवादी बॉटम-अप दृष्टिकोण है। डायनेमिक कॉम्बिनेटरियल केमिस्ट्री की संरचना को विकसित करने के लिए, मध्यवर्ती घटकों के एक गतिशील कॉम्बीनेटरियल लाइब्रेरी को इकट्ठा करना आवश्यक है, जो टेम्प्लेट द्वारा जोड़े जाने पर आवश्यक आणविक असेंबली बनाते हैं। गतिशील संयोजक रसायन विज्ञान में, अणु मान्यता तंत्र एक महत्वपूर्ण घटक है। इसके अलावा "अतिथि-मेजबान" परिसरों के निर्माण की ख़ासियत का ज्ञान है।

वर्तमान में, एंजाइम फ़ंक्शन की संरचनात्मक नींव स्थापित करने और नए एंजाइम अवरोधकों की पहचान करने में सैद्धांतिक अनुसंधान की एक विधि के रूप में कॉम्बिनेटरियल केमिस्ट्री का उपयोग किया जाता है। यह माना जाता है कि इसकी मदद से नैनोटेक्नोलॉजी में नई सेल्फ-असेंबली तक संभावित त्वरित पहुंच संभव है, साथ ही नई दवाओं, सुपरमॉलेक्यूलर असेंबलियों और उत्प्रेरक की खोज भी संभव है।

संयोजक रसायन दो प्रकार के होते हैं: पारंपरिक और गतिशील (चित्र 6.16)। उनके बीच मुख्य अंतर यह है कि गतिशील रसायन विज्ञान में, आणविक "बिल्डिंग" ब्लॉक कमजोर लेकिन प्रतिवर्ती गैर-सहसंयोजक बंधनों से जुड़े होते हैं, जबकि पारंपरिक दहनशील रसायन विज्ञान में, बातचीत मुख्य रूप से मजबूत और अपरिवर्तनीय सहसंयोजक बंधनों के कारण होती है।

पारंपरिक कॉम्बिनेटरियल केमिस्ट्री में, एक निश्चित संरचना के समुच्चय का एक स्थिर मिश्रण बनता है, और पेश किया गया "टेम्पलेट" (लिगैंड) अपनी सामग्री को बढ़ाए बिना सर्वश्रेष्ठ बाइंडर का चयन करता है। डायनेमिक कॉम्बिनेटरियल केमिस्ट्री में, एक गतिशील मिश्रण से आगे बढ़ता है, जिसमें "टेम्पलेट" जोड़ने के बाद, ब्लॉकों की सांद्रता की संरचना और वितरण बदल जाता है, और "टेम्पलेट" के संबंध में सबसे अच्छा बाइंडर एकमात्र प्रमुख उत्पाद होगा।

संयोजक रसायन विज्ञान में, एक "टेम्पलेट" (या लिगैंड) को एक अणु, आयन या मैक्रोमोलेक्यूल माना जाता है जो अन्य घटकों के साथ प्रतिक्रिया करता है और आवश्यक समुच्चय, मैक्रोमोलेक्यूल के गठन की निरंतर प्रतिक्रियाओं के दौरान सिस्टम के उत्पादों के एकाग्रता वितरण को बदलता है। या मध्यवर्ती उत्पाद। "टेम्पलेट" का एक उदाहरण एक डीएनए अणु है जो आरएनए जैसे मैक्रोमोलेक्यूल के संश्लेषण के लिए एक मॉडल के रूप में कार्य करता है।

डायनेमिक कॉम्बिनेटरियल केमिस्ट्री में सेल्फ-असेंबली आणविक असेंबली के लिए नए दृष्टिकोण को सक्षम बनाता है। हाल के वर्षों में इस क्षेत्र में कई दिलचस्प सुधार किए गए हैं। विशेष रूप से, तथाकथित आणविक डॉकिंग, एक प्रोटीन मैक्रोमोलेक्यूल के लिए एक लिगैंड (जैविक रूप से सक्रिय पदार्थ) के छोटे अणुओं के लगाव के इष्टतम स्थानों को खोजने की एक प्रक्रिया ने बहुत विकास प्राप्त किया है।

एक गतिशील संयोजक पुस्तकालय (डीसीएल) मध्यवर्ती का एक सेट है जो बिल्डिंग ब्लॉक्स के साथ गतिशील संतुलन में हो सकता है। डीसीएस की संरचना का वर्णन करने के लिए, "रासायनिक किट" शब्द का आमतौर पर उपयोग किया जाता है, जिसमें दो या अधिक पुस्तकालय घटक, "बिल्डिंग ब्लॉक" या अभिकर्मक होते हैं। डायनेमिक कॉम्बिनेटरियल लाइब्रेरी से, स्व-इकट्ठे वस्तुओं के निर्माण के लिए उपयुक्त गुणों वाले "बिल्डिंग" ब्लॉक का चयन किया जाता है, और "टेम्पलेट" की उपस्थिति में, स्व-असेंबली की जाती है।

डीसीबी घटक कमजोर गैर-सहसंयोजक बंधों के निर्माण के माध्यम से परस्पर क्रिया करते हैं। सिद्धांत रूप में, इन घटकों से कोई भी प्रतिवर्ती विधानसभा बनाना संभव है। चूंकि घटकों के बीच सभी इंटरैक्शन उत्क्रमणीय और संतुलन हैं, डीसीबी एक गतिशील प्रकृति का है। इस प्रकार, डीसीएस विभिन्न बाहरी कारकों का आसानी से जवाब देने में सक्षम है। विशेष रूप से, कुछ डीसीबी समुच्चय की संख्या बदलती थर्मोडायनामिक स्थितियों के साथ बदल सकती है और सिस्टम में जोड़े गए "टेम्पलेट" की प्रकृति के आधार पर बदल सकती है। "टेम्पलेट" को जोड़ने से पहले संतुलन की स्थिति में, डीसीबी घटकों के पास विभिन्न समुच्चय के गठन के साथ कमजोर गैर-सहसंयोजक बंधनों के माध्यम से एक दूसरे के साथ बातचीत करने के कई अवसर होते हैं। डीसीएस सिस्टम में "टेम्पलेट" जोड़े जाने के बाद, मध्यवर्ती पदार्थों की सामग्री को पुनर्वितरित किया जाता है। नतीजतन, केवल उन समुच्चय या विधानसभाओं की एकाग्रता जो "टेम्पो" से सबसे अच्छी तरह मेल खाती है, बढ़ेगी और स्थिर हो जाएगी।

एक निश्चित मध्यवर्ती उत्पाद की एकाग्रता में वृद्धि केवल इस उत्पाद के निर्माण की दिशा में शेष प्रतिक्रियाओं के प्रतिवर्ती बदलाव के परिणामस्वरूप हो सकती है, यदि केवल यह संतुलन की स्थिति (न्यूनतम ऊर्जा तक पहुंचने और ए अधिकतम एन्ट्रापी)। नतीजतन, सिस्टम "तापमान" के साथ सबसे स्थिर बांड के साथ विधानसभा प्रदान करना चाहता है, जबकि अस्थिर विधानसभाओं की एकाग्रता कम हो जाती है। एक ही समय में, डीसीबी घटक एक दूसरे के साथ सहज रूप से बातचीत कर सकते हैं, विभिन्न आकृतियों और गुणों के साथ बड़ी संख्या में विभिन्न समुच्चय का उत्पादन कर सकते हैं।

ऐसे कई कारक हैं जो डीसीएस की प्रभावशीलता को प्रभावित करते हैं। इसमे शामिल है:

1. डीसीएस घटकों और टेम्पलेट्स की प्रकृति।यह आवश्यक है कि चयनित घटकों में उपयुक्त कार्यात्मक समूह हों। घटकों में इन समूहों की विविधता जितनी अधिक होगी, प्रणालियों के विकास में उतनी ही अधिक परिवर्तनशीलता प्राप्त की जा सकती है (चित्र 6.17 देखें)। इसके अलावा, इन समूहों के गुण "टेम्पलेट" के गुणों के अनुकूल होने चाहिए।

• 2. डीसीबी में इंटरमॉलिक्युलर इंटरैक्शन के प्रकार।कम्प्यूटेशनल रसायन विज्ञान का उपयोग करके आणविक समुच्चय के गठन की संभावना की भविष्यवाणी करने के लिए, घटकों और "टेम्पलेट" के साथ घटक के जुड़ाव के तंत्र के बीच अंतर-आणविक बातचीत के बारे में एक प्राथमिकता जानना आवश्यक है। डीसीबी में, इंटरमॉलिक्युलर इंटरैक्शन गैर-सहसंयोजक होना चाहिए, जो डीसीबी घटकों के बीच होने वाले परिवर्तनों की उत्क्रमणीयता की ओर जाता है। इस तरह की बातचीत से संतुलन की तेजी से स्थापना की सुविधा होती है, ताकि आणविक समुच्चय के गठन के लिए सभी उपलब्ध संभावनाओं का परीक्षण किया जा सके।
• 3. थर्मोडायनामिक स्थितियां।एक विलायक (डीसीबी माध्यम) में घटकों, टेम्पलेट्स और परिणामी आणविक समुच्चय की घुलनशीलता संतुलन थर्मोडायनामिक स्थितियों पर दृढ़ता से निर्भर हो सकती है। डीसीबी की दक्षता बढ़ाने के लिए, माध्यम में घटकों की घुलनशीलता "टेम्पलेट" की घुलनशीलता से महत्वपूर्ण रूप से भिन्न नहीं होनी चाहिए। एक जलीय माध्यम में, "टेम्पलेट" की अपर्याप्त घुलनशीलता मुख्य रूप से एक समस्या है जब प्रोटीन को इसकी गुणवत्ता के रूप में उपयोग किया जाता है, और न्यूक्लिक एसिड भी इसी तरह की समस्या पैदा कर सकता है। एक अघुलनशील आणविक समुच्चय का गठन प्रतिक्रिया उत्पाद के रूप में इस समुच्चय के गठन की दिशा में संतुलन को बदल देता है। डीसीएस में प्रस्तुत प्रतिक्रियाओं के पाठ्यक्रम के लिए शर्तें असंगतता की संभावना को कम करने के लिए यथासंभव हल्की होनी चाहिए, जो विनिमय और मान्यता की प्रक्रियाओं में अपरिहार्य है।
• 4. विश्लेषण के तरीके।डीसीएस में, कुछ परिस्थितियों में, चल रही प्रतिक्रियाओं को समाप्त करना संभव होना चाहिए ताकि सिस्टम को गतिशील से स्थिर स्थिति में ले जाया जा सके। प्रतिक्रियाओं की समाप्ति सिस्टम को "टेम्पलेट" के अतिरिक्त और सर्वोत्तम संभव क्रॉस-लिंकिंग अभिकर्मक के गठन के बाद संश्लेषण से "डिस्कनेक्ट" करने की अनुमति देती है। इस मामले में, प्रणाली एक संतुलन स्थिति में आती है और विश्लेषण के लिए आणविक समुच्चय का वितरण स्थिर रहता है।

कभी-कभी स्व-संयोजन प्रक्रिया का सरलीकरण मान्यता स्तर पर विश्लेषण के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है। आणविक मान्यता एक अणु की दूसरे के साथ बातचीत द्वारा विशिष्ट पहचान है।

डीसीबी अणुओं की पहचान की ख़ासियत किसी दिए गए "टेम्पलेट" के लिए सबसे उपयुक्त रिसेप्टर की पसंद में निहित है। यह प्रकृति के विकासवादी विकास के समान, सबसे उपयुक्त रिसेप्टर्स के चयन और चयन के लिए एक विकासवादी दृष्टिकोण के विकास में योगदान देता है। कॉम्बिनेटरियल केमिस्ट्री के नए उभरते क्षेत्र में बायोमोलेक्यूलस के लिए उच्च आत्मीयता लिगैंड्स का प्रत्यक्ष विकास कहा जाता है गतिशील परिवर्तनशीलता,स्व-विधानसभा में व्यापक रूप से उपयोग किया जा सकता है।

आणविक मान्यता की प्रक्रिया में दो मूलभूत दृष्टिकोण हैं: आकार देना और आकार देना (चित्र 6.18 देखें)।

जब यौगिकों के पुस्तकालय से निर्मित आणविक समुच्चय को "आकार" देता है, तो रूप लेता है

अणु पहचान में आकार देने और आकार देने का चित्रण

खालीपन, "टेम्पलेट" द्वारा सीमित। "टेम्पलेट" के अंदर खाली स्थान एक डली और एक जगह के रूप में कार्य करता है जहां पुस्तकालय के घटक जुड़े होते हैं और समुच्चय बनते हैं। जब "मोल्डिंग" "टेम्पलेट्स" का उपयोग करके गतिशील पुस्तकालय के घटकों का सीधा संबंध है।

स्व-संयोजन, ग्राही निर्माण और अणुओं की पहचान के लिए बड़ी संख्या में अणुओं का उपयोग किया जाता है। ऐसे "मान्यता" अणुओं में अम्लीय कार्बोक्सिल, पेप्टाइड, कार्बोहाइड्रेट और अन्य समूहों की पहचान के लिए रिसेप्टर्स हो सकते हैं।

आणविक रिसेप्टर्स अवधारणात्मक रूप से सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान की सबसे सरल वस्तुएं हैं, हालांकि उनकी संरचना हमेशा सरल से बहुत दूर है। उनका कार्य समान सब्सट्रेट के बीच वांछित सब्सट्रेट को "ढूंढना" है और चुनिंदा रूप से, यानी चुनिंदा रूप से इसे बांधना है। आणविक मान्यता की चयनात्मकता प्राप्त की जाती है, यदि रिसेप्टर और सब्सट्रेट की पूरकता के साथ, उनके बीच एक मजबूत कुल बंधन होता है, जो कई बाध्यकारी साइटों के कई इंटरैक्शन के कारण उत्पन्न होता है। इस तरह की बातचीत के लिए एक आवश्यक शर्त रिसेप्टर और सब्सट्रेट के बीच एक बड़ा संपर्क क्षेत्र है।

रिसेप्टर्स के रूप में चक्रीय, कंटेनर या रैखिक स्व-संयोजन संरचनाओं (या परिसरों) के निर्माण और अणुओं की पहचान के लिए विशेष तरीके और अभिकर्मक उपलब्ध हैं। उदाहरण के लिए, एक चक्रीय संरचना के निर्माण की रणनीति एक अणु के दाता-दाता-स्वीकर्ता समूह और दूसरे अणु के स्वीकर्ता-स्वीकर्ता-दाता समूह के बीच ट्रिपल और पूरक हाइड्रोजन बांड का उपयोग करना है।

"कंटेनर" सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान के तरीकों का उपयोग मैक्रोमोलेक्यूल्स को डिजाइन करने के लिए भी किया जा सकता है जो आणविक मान्यता और विशिष्ट बांडों के गठन के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं। इन विधियों में, डिज़ाइन किए गए अणु ("होस्ट" या रिसेप्टर) की आंतरिक सतह "अतिथि", या लिगैंड की सतह के साथ संपर्क करती है, और उनके बीच बनने वाले कमजोर बंधनों की ऊर्जा विशिष्ट बंधन की ताकत को निर्धारित करती है और अणुओं को पहचानने की क्षमता।

घटकों की स्व-संयोजन पूर्ण होने के बाद, परिणामी "होस्ट" एक व्यक्तिगत स्थानिक संरचना मानता है, जिसमें अक्सर "अतिथि" अणु के पूर्ण या आंशिक घेरे के लिए शून्य या अंतराल होता है। यद्यपि प्रौद्योगिकी के विकास पर नियंत्रण और इन विधियों में मान्यता की विशिष्टता उतनी महत्वपूर्ण नहीं है जितनी कि गतिशील संयोजक पुस्तकालय में, कई मामलों में गतिशील संयोजक पुस्तकालयों की प्रणालियों की तुलना में विकास में कम सीमाएं और कठिनाइयां होती हैं।

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अंजीर 1. एक्स-रे क्रिस्टलोग्राफी द्वारा गूढ़, 144 अणुओं से स्व-संयोजन द्वारा प्राप्त पॉलीहेड्रॉन की आणविक संरचना "सीमा =" 0 ">

जापान के रसायनज्ञों के एक समूह ने स्वयं द्वारा निर्धारित आणविक ज्यामितीय आकृतियों के स्व-संयोजन रिकॉर्ड को तोड़ने में कामयाबी हासिल की। वैज्ञानिक परिस्थितियों और घटकों को इस तरह से चुनने में सक्षम थे कि समाधान में वायरल कैप्सिड (प्रोटीन झिल्ली) के समान आणविक पॉलीहेड्रॉन की एक स्व-संयोजन प्रतिक्रिया हुई। नए रिकॉर्ड धारक में 144 अणु शामिल थे। इस खोज में अनुप्रयोगों के लिए बहुत अधिक संभावनाएं हैं, क्योंकि छोटी संरचनाओं का लंबे समय से उत्प्रेरण, हाइपरसेंसिटिव सेंसर, ऊर्जा भंडारण, विस्फोटकों के स्थिरीकरण, और बहुत कुछ के लिए उपयोग किया जाता है।

दार्शनिक रूप से, प्रायोगिक रसायन विज्ञान अनिवार्य रूप से स्व-संयोजन है। एक रसायनज्ञ केवल कुछ अभिकर्मकों को दूसरों में जोड़ता है, और वे स्वयं समाधान में परस्पर क्रिया करते हैं: एक नियम के रूप में, प्रसार और इलेक्ट्रोस्टैटिक्स के अलावा कुछ भी उन्हें एक दूसरे की ओर धकेलता है। क्रिस्टल उसी तरह बढ़ते हैं: एक अणु दूसरे से "चिपक जाता है", सबसे ऊर्जावान रूप से अनुकूल रचना का "चयन" करता है।

सिद्धांत रूप में, यह एक जीवित कोशिका में भी होता है। साइटोप्लाज्म में तैरते हुए अणु, खुद को संरचनाओं में इकट्ठा करते हैं, फिर ये संरचनाएं एक बहुकोशिकीय जीव तक, अन्य संरचनाओं के स्व-संयोजन को उत्प्रेरित करती हैं। यह सब बिना एक भी कर्मचारी, दुकान प्रबंधक, निदेशक या सफाई महिला के बिना एक विशाल कामकाजी कारखाने जैसा दिखता है। सब कुछ किसी के सचेत पर्यवेक्षण या नियंत्रण के बिना (जैव) रासायनिक कानूनों के अनुसार काम करता है - यह विकास, क्रमिक जटिलता, कार्य प्रणालियों के अस्तित्व और गैर-काम करने वाले लोगों के मुरझाने का परिणाम है।

प्राकृतिक प्रक्रियाओं की नकल करने के प्रयासों के साथ अणुओं के स्व-संयोजन के नियमों में अनुसंधान शुरू हुआ। हालांकि, जैविक वस्तुएं ऐसी होती हैं कि कभी-कभी मानव मस्तिष्क के लिए उनके आकार की कल्पना करना भी मुश्किल हो जाता है। यह जैव रासायनिक अनुसंधान के लिए एक गंभीर समस्या प्रस्तुत करता है। तो धीरे-धीरे, 90 के दशक की शुरुआत में, एक विचार आया: वास्तव में, केवल प्राकृतिक स्व-संयोजन की जांच करना क्यों आवश्यक है? क्या तुम दूसरी तरफ से नहीं आ सकते? ऐसे मॉडल चुनें जिनकी जांच करना आसान हो और उनके आधार पर प्रकृति को समझने का प्रयास करें। यानी पहले जलती हुई लालटेन के नीचे बिखरे ज्ञान को इकट्ठा करना है, और उसके बाद ही बुझी हुई लालटेन के पास जाना है। खैर, ज्यामितीय आकृतियों से सरल क्या हो सकता है? यह विचार, जैसा कि अक्सर होता है, स्वतंत्र रूप से विभिन्न शोध टीमों में उत्पन्न हुआ - संयुक्त राज्य अमेरिका से पीटर जे। स्टैंग का समूह और जापान से मकोतो फुजिता का समूह।

लगभग तुरंत ही यह स्पष्ट हो गया कि कोई दो-आयामी संरचनाओं पर नहीं रुक सकता है और तीन-आयामी संरचनाओं को एक समान तरीके से इकट्ठा करने का प्रयास कर सकता है - आणविक "पिंजरे"; चावल। 3. त्रि-आयामी आकार प्राप्त करने के लिए, तीन या अधिक सक्रिय अंत वाले दाताओं और / या स्वीकर्ता की आवश्यकता होती है।

प्रतिक्रियाओं में कुछ अप्रत्याशित, और यहां तक ​​​​कि प्रतिकूल, संपत्ति भी थी: यदि आप "लाल" वाले कई अलग-अलग "नीले" अणुओं को मिलाते हैं, तो वे अभी भी समाधान से "चुनते हैं" जो प्रत्येक के साथ मिश्रण किए बिना सबसे अधिक आदेशित संरचनाएं देते हैं अन्य। इस प्रकार, वास्तव में, न केवल स्व-असेंबली की जाती है, बल्कि स्व-छँटाई भी होती है (चित्र 4)। यह इस तथ्य से समझाया गया है कि संयोजन में सबसे अधिक आदेशित संरचनाएं सबसे ऊर्जावान रूप से अनुकूल निकलीं।

पहली नज़र में, आणविक ज्यामितीय आकृतियों के स्व-संयोजन पर अनुसंधान का क्षेत्र बहुत ही संकीर्ण लग सकता है, शैक्षणिक रुचि से अधिक नहीं। वास्तव में ऐसे पर्याप्त क्षेत्र हैं जो किसी दिन किसी चीज के काम आएंगे (या काम नहीं आएंगे), लेकिन चर्चा के मामले में ऐसा बिल्कुल नहीं है। दोनों संरचनाओं और उन्हें प्राप्त करने के तरीके (साथ ही खुले पैटर्न) ने बहुत जल्दी बड़ी संख्या में तत्काल और दूर के अनुप्रयोगों को पाया। जैसा कि अपेक्षित था, इन अध्ययनों ने यह स्पष्ट कर दिया है कि जैविक संरचनाओं (जैसे वायरल कैप्सिड) की स्व-संयोजन कैसे काम करती है।

स्व-संयोजन विधियों ने धातु-कार्बनिक समन्वय पॉलिमर (धातु-कार्बनिक ढांचे, एमओएफ) पर अनुसंधान के एक विशाल क्षेत्र का आधार बनाया है। इस तरह के तरीकों से प्राप्त संरचनाओं को हाइपरसेंसिटिव सेंसर के रूप में उपयोग किया जाता है, क्योंकि वे कुछ पदार्थों के साथ बातचीत करते समय अपने भौतिक गुणों को बदलते हैं। आण्विक "कोशिकाओं" की सहायता से कार्बनिक प्रतिक्रियाओं को तेज किया जाता है, आंतरिक गुहाओं का उपयोग करके अभिकारकों को एक दूसरे के करीब लाने के लिए (जैसे एंजाइम प्रकृति में करते हैं)। वे सफेद फास्फोरस जैसे विस्फोटक या आत्म-प्रज्वलित करने वाले पदार्थों को भी स्थिर करते हैं। कुछ प्रकार के आणविक "कोशिकाओं" में दवाओं को डाला जाता है और स्वस्थ अंगों को दरकिनार कर लक्षित अंगों में लाया जाता है। और यह पूरी सूची नहीं है।

बेशक, इतने उपयोगी क्षेत्र में अकादमिक शोध भी बंद नहीं हुआ है। विशेष रूप से, स्व-संयोजन शोधकर्ताओं द्वारा पूछे गए जिज्ञासु प्रश्नों में से एक है - अणुओं की सबसे बड़ी संख्या क्या है जो बिना किसी बाहरी सहायता के एक क्रमबद्ध संरचना में "स्व-इकट्ठा" कर सकते हैं? प्रकृति में, इस तरह की चाल सैकड़ों घटकों (उदाहरण के लिए, एक ही वायरल कैप्सिड) द्वारा की जा सकती है। क्या रसायनज्ञ प्रकृति से मुकाबला कर पाएंगे?

अंतिम रिकॉर्ड फुजिता समूह में स्थापित किया गया था। 2016 की शुरुआत में, वांछित संरचना की टोपोलॉजी की सावधानीपूर्वक गणना करके और आणविक "डिजाइनर के विवरण" की ज्यामिति की योजना बनाकर, वे 90 कणों से आर्किमिडीज निकायों के वर्ग से संबंधित एक संरचना (स्वयं) को इकट्ठा करने में कामयाब रहे: 30 टेट्रावैलेंट पैलेडियम स्वीकर्ता और 60 बाइपिरिडीन दाता (अंजीर 5 पर दाईं ओर से दूसरा)।

सौ-घटक बाधा अभी तक दूर नहीं हुई थी, और कुछ लोगों ने सोचा कि यह दुर्गम था। संशयवादियों की भविष्यवाणियों को नजरअंदाज करते हुए, एक नए अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने 180 कणों के अगले आर्किमिडीयन पॉलीहेड्रॉन पर झूले: 60 पैलेडियम स्वीकर्ता और 120 पाइरीडीन दाता (चित्र 5 में सबसे दाईं ओर की संरचना)।

उपयुक्त गणना करने के बाद, रसायनज्ञों ने इसके लिए आणविक ईंटों को संश्लेषित किया, एक स्वीकर्ता के दो दाताओं के अनुपात में सामग्री का एक समाधान बनाया, और एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके प्रतिक्रिया का पालन किया। जब सभी प्रारंभिक अभिकर्मकों ने प्रतिक्रिया व्यक्त की, तो क्रिस्टल को समाधान से अलग कर दिया गया और उनकी आणविक संरचना को एक्स-रे संरचनात्मक विश्लेषण की विशेषता थी। प्रयोगकर्ताओं के आश्चर्य के लिए, उन्होंने एक पॉलीहेड्रॉन को एक संरचना के साथ देखा जो कि अपेक्षित था (चित्र 6, बाएं)।

पिछले रिकॉर्ड धारक की तरह, इसमें ३० स्वीकर्ता और ६० दाता शामिल थे ("आह!" - स्पष्ट संदेहवादी), केवल यह आर्किमिडीज पॉलीहेड्रा से संबंधित नहीं था, बल्कि आंकड़ों के एक अन्य वर्ग के करीब था - गोल्डबर्ग पॉलीहेड्रॉन (गोल्डबर्ग पॉलीहेड्रॉन देखें) .

गोल्डबर्ग पॉलीहेड्रा 1937 में गणितज्ञ माइकल गोल्डबर्ग द्वारा खोजी गई ज्यामितीय आकृतियाँ हैं। क्लासिक गोल्डबर्ग पॉलीटोप्स में कुछ नियमों के अनुसार एक दूसरे से जुड़े पेंटागन और हेक्सागोन होते हैं (वैसे, एक सॉकर बॉल के आकार से कई लोगों से परिचित छोटा आईकोसाहेड्रोन, गोल्डबर्ग पॉलीहेड्रॉन का एक उदाहरण है)। इस तथ्य के बावजूद कि चर्चा किए गए कार्य में पॉलीहेड्रा में त्रिकोण और वर्ग शामिल हैं, वे गोल्डबर्ग पॉलीटोप्स से संबंधित हैं, जो कि ग्राफ सिद्धांत का उपयोग करके सिद्ध होता है।

वैज्ञानिकों ने अतिरिक्त गणना की, जिससे यह पता चला कि यह संरचना मेटास्टेबल है और 48 स्वीकर्ता और 96 दाताओं का अधिक ऊर्जावान रूप से स्थिर पॉलीहेड्रॉन है, जो एक ही मूल अणुओं से प्राप्त किया जा सकता है। यह केवल इसके उत्पादन, अलगाव और विशेषताओं के लिए उपयुक्त परिस्थितियों को खोजने के लिए बनी रही। कई प्रयासों के बाद, विभिन्न तापमानों पर और विभिन्न सॉल्वैंट्स का उपयोग करके, क्रिस्टल प्राप्त किए गए थे जो माइक्रोस्कोप के तहत पिछले वाले से दृष्टिगत रूप से भिन्न थे। चिमटी के साथ उन्हें पहले की विशेषता वाले लोगों से लिया गया था, और एक्स-रे संरचनात्मक विश्लेषण की पुष्टि की गई: 144 अणुओं से युक्त एक नया रिकॉर्ड धारक, स्व-संयोजन (छवि 6, दाएं) द्वारा प्राप्त किया गया था।

छोटे एनालॉग्स के लिए अनुप्रयोगों के लिए सफल खोजों के इतिहास को देखते हुए, लेखकों को उम्मीद है कि नए खोजे गए अणुओं के साथ-साथ उनके लिए विकसित किए गए तरीकों के लिए दिलचस्प अनुप्रयोग मिलेंगे। वे वहाँ रुकने वाले नहीं हैं और अधिक घटकों से और भी बड़ी संरचनाएँ प्राप्त करने का इरादा रखते हैं।

स्रोत:
1) राजेश चक्रवर्ती, पार्थ एस मुखर्जी, पीटर जे। स्टैंग। सुपरमॉलेक्यूलर कोऑर्डिनेशन: परिमित टू- और थ्री-डायमेंशनल एसेम्बल्स की सेल्फ-असेंबली // रासायनिक समीक्षा... 2011. वी। 111, पी। 6810-6918। डीओआई: 10.1021 / करोड़200077m।
2) डेशी फुजिता, योशीहिरो उएदा, सोता सातो, नोबुहिरो मिज़ुनो, ताकाशी कुमासाका, मकोतो फुजिता। 144 छोटे घटकों से टेट्रावैलेंट गोल्डबर्ग पॉलीहेड्रल की स्व-संयोजन // प्रकृति... २०१६. वी. ५१०, पी. ५६३-५६७। डीओआई: 10.1038 / प्रकृति20771।

ग्रिगोरी मोलेव

nanoparticleएक कण आकार में 100 माइक्रोन से कम है। लघुकरण की वर्तमान प्रवृत्ति ने दिखाया है कि यदि आप इस पदार्थ का एक बहुत छोटा कण लेते हैं तो पदार्थ में पूरी तरह से नए गुण हो सकते हैं। 1 से 100 नैनोमीटर के आकार के कणों को सामान्यतः "नैनोकण" कहा जाता है। उदाहरण के लिए, यह पता चला है कि कुछ सामग्रियों के नैनोकणों में बहुत अच्छे उत्प्रेरक और सोखने के गुण होते हैं। अन्य सामग्री अद्भुत ऑप्टिकल गुण दिखाती है, उदाहरण के लिए, सौर कोशिकाओं के उत्पादन के लिए कार्बनिक पदार्थों की अति पतली फिल्मों का उपयोग किया जाता है। ऐसी बैटरी, हालांकि उनकी अपेक्षाकृत कम क्वांटम दक्षता होती है, वे सस्ती होती हैं और यांत्रिक रूप से लचीली हो सकती हैं। प्राकृतिक नैनो-आकार की वस्तुओं - प्रोटीन, न्यूक्लिक एसिड, आदि के साथ कृत्रिम नैनोकणों की बातचीत को प्राप्त करना संभव है। पूरी तरह से शुद्ध किए गए नैनोकण कुछ संरचनाओं में स्व-संरेखित हो सकते हैं। इस संरचना में कड़ाई से क्रमबद्ध नैनोकण होते हैं और अक्सर असामान्य गुण भी प्रदर्शित करते हैं। Nanoobjects को 3 मुख्य वर्गों में विभाजित किया गया है:कंडक्टरों के विस्फोट, प्लाज्मा संलयन द्वारा प्राप्त त्रि-आयामी कण; द्वि-आयामी वस्तुएं - आणविक लेयरिंग, सीवीडी, एएलडी, आयन लेयरिंग द्वारा प्राप्त फिल्में; एक-आयामी वस्तुएं - मूंछें (इन वस्तुओं को आणविक लेयरिंग की विधि द्वारा प्राप्त किया जाता है, पदार्थों को बेलनाकार माइक्रोप्रोर्स में पेश करके)। फिलहाल, केवल माइक्रोलिथोग्राफी विधि का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है, जो सतह पर समतल द्वीप वस्तुओं को प्राप्त करने की अनुमति देता है। आकार में 50 एनएम से मैट्रिसेस का, इसका उपयोग इलेक्ट्रॉनिक्स में किया जाता है; सीवीडी और एएलडी मुख्य रूप से माइक्रोन फिल्म बनाने के लिए उपयोग किए जाते हैं। अन्य विधियों का मुख्य रूप से वैज्ञानिक उद्देश्यों के लिए उपयोग किया जाता है। विशेष रूप से, आयनिक और आणविक लेयरिंग के तरीकों पर ध्यान दिया जाना चाहिए, क्योंकि उनका उपयोग वास्तविक मोनोलयर्स बनाने के लिए किया जा सकता है। नैनो- मौलिक और अनुप्रयुक्त विज्ञान और प्रौद्योगिकी का एक अंतःविषय क्षेत्र, सैद्धांतिक औचित्य, अनुसंधान के व्यावहारिक तरीकों, विश्लेषण और संश्लेषण के साथ-साथ नियंत्रित हेरफेर के माध्यम से किसी दिए गए परमाणु संरचना वाले उत्पादों के उत्पादन और उपयोग के तरीकों से निपटता है। व्यक्तिगत परमाणु और अणु ... नेनोसामग्री- उनके घटकों के सूक्ष्म आकार के परिणामस्वरूप अद्वितीय विशेषताओं वाले नैनोकणों के आधार पर विकसित सामग्री। कार्बन नैनोट्यूब बेलनाकार संरचनाएं हैं जो एक से कई नैनोमीटर व्यास में और कई सेंटीमीटर तक लंबी होती हैं, जिसमें एक या एक से अधिक हेक्सागोनल ग्रेफाइट विमानों को एक ट्यूब में घुमाया जाता है और आमतौर पर एक गोलार्द्ध के सिर में समाप्त होता है। फुलरीन कार्बन के एलोट्रोपिक रूपों के वर्ग से संबंधित आणविक यौगिक हैं। ग्राफीन, मैनचेस्टर विश्वविद्यालय में अक्टूबर 2004 में प्राप्त कार्बन परमाणुओं का एक मोनोलेयर है। ग्रेफीन का उपयोग अणुओं के संसूचक के रूप में किया जा सकता है। नैनोलिथोग्राफीनैनोमीटर के आकार के उपकरण बनाने की सबसे महत्वपूर्ण विधि। इस पद्धति का उपयोग इलेक्ट्रॉनिक सर्किट, उच्च क्षमता वाले मेमोरी सर्किट, सेंसर बनाने के लिए किया जा सकता है। नैनोमेडिसिन- नैनो डिवाइसेस और नैनोस्ट्रक्चर का उपयोग करके आणविक स्तर पर मानव जैविक प्रणालियों को ट्रैक करना, सही करना, डिजाइन करना और नियंत्रित करना। नैनोबायोइलेक्ट्रॉनिक्स) - इलेक्ट्रॉनिक्स और नैनोटेक्नोलॉजी का एक खंड, जो इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को बनाने के लिए कंप्यूटर प्रौद्योगिकी में बायोमैटिरियल्स और जैविक वस्तुओं द्वारा सूचना प्रसंस्करण के सिद्धांतों का उपयोग करता है। आणविक स्व-विधानसभा- मनमाना डीएनए अनुक्रमों का निर्माण जिसका उपयोग आवश्यक प्रोटीन या अमीनो एसिड बनाने के लिए किया जा सकता है।

) — एक आदेशित सुपरमॉलेक्यूलर संरचना या माध्यम के गठन की प्रक्रिया, जिसमें मूल संरचना के केवल घटक (तत्व) लगभग अपरिवर्तित रूप में भाग लेते हैं, योगात्मक रूप से गठन या "संग्रह", पूरे के कुछ हिस्सों के रूप में, परिणामी जटिल संरचना।

विवरण

सेल्फ-असेंबली नैनोस्ट्रक्चर (नैनोमटेरियल्स) के उत्पादन के लिए विशिष्ट बॉटम-अप विधियों को संदर्भित करता है। इसके कार्यान्वयन में सामना करने वाला मुख्य कार्य इस तरह से सिस्टम के मापदंडों को प्रभावित करने और व्यक्तिगत कणों के गुणों को निर्धारित करने की आवश्यकता है ताकि वे वांछित संरचना के गठन के साथ व्यवस्थित हों। स्व-संयोजन कई प्रक्रियाओं के केंद्र में है जहां बड़ी वस्तुओं को इकट्ठा करने के "निर्देश" व्यक्तिगत अणुओं की संरचनात्मक विशेषताओं में "एन्कोडेड" होते हैं। स्व-असेंबली से अलग किया जाना चाहिए, जिसका उपयोग जटिल "पैटर्न", प्रक्रियाओं और संरचनाओं को बनाने के लिए एक तंत्र के रूप में किया जा सकता है जो मूल प्रणाली में देखे गए संगठन की तुलना में उच्च पदानुक्रमित स्तर पर होता है (चित्र देखें)। अंतर निम्न स्तरों पर घटकों के कई और बहुभिन्नरूपी अंतःक्रियाओं में निहित है, जिस पर उनके अपने, स्थानीय, अंतःक्रिया के नियम हैं, जो स्वयं आदेश प्रणाली के व्यवहार के सामूहिक नियमों से भिन्न हैं। स्व-संगठन प्रक्रियाओं को विभिन्न पैमानों की अंतःक्रियात्मक ऊर्जाओं के साथ-साथ इसके संगठन के कई अलग-अलग स्तरों पर प्रणाली की स्वतंत्रता की डिग्री पर प्रतिबंधों के अस्तित्व की विशेषता है। इस प्रकार, स्व-विधानसभा प्रक्रिया एक सरल घटना है। फिर भी, किसी को चरम पर नहीं जाना चाहिए और उदाहरण के लिए, मान लें कि एक क्रिस्टल की वृद्धि परमाणुओं की आत्म-संयोजन है (जो, सिद्धांत रूप में, परिभाषा से मेल खाती है), हालांकि, उदाहरण के लिए, स्वयं-संयोजन बड़ी वस्तुएं - एक ही आकार के माइक्रोस्फीयर, सबसे घनी गोलाकार पैकिंग बनाते हैं, जो तथाकथित (माइक्रोसेफर्स से तीन-आयामी विवर्तन झंझरी) के गठन की ओर जाता है - यह स्व-संयोजन का एक विशिष्ट उदाहरण है। स्व-संयोजन में गठन (उदाहरण के लिए, एक चिकनी सोने की फिल्म पर थियोल अणुओं का), फिल्मों का निर्माण आदि शामिल है।

रेखांकन

लेखक

• गुडिलिन एवगेनी अलेक्सेविच

के स्रोत

1. नैनोसिंथेसिस का दर्शन // नैनोमीटर, 2007. -www.nanometer.ru/2007/12/15/samosborka_5415.html (दिनांक तक पहुँचा: 13.10.2009)।
2. सेल्फ-असेंबली // विकिपीडिया, फ्री इनसाइक्लोपीडिया। - http://en.wikipedia.org/wiki/Self-assembly (पहुँच की तिथि: 07/31/2010)।