చర్యలో మాలిక్యులర్ మోటార్లు: పాలిమర్ గొలుసుల వెంట ఆల్ఫా-సైక్లోడెక్స్ట్రిన్ కదలికను విజువలైజ్ చేయడం

ఒక మైక్రోస్కోపిక్ లోకోమోటివ్ ట్రాక్ వెంట ముందుకు వెనుకకు కదులుతూ, బాహ్య శక్తి లేకుండా తనను తాను నడిపిస్తుంది. పరమాణు స్థాయిలో, ఈ భావన పరమాణు మోటార్లు యొక్క పునాదిని ఏర్పరుస్తుంది – అధునాతన పదార్థాలు, లక్ష్యంగా ఉన్న delivery షధ పంపిణీ మరియు నానోస్కేల్ రోబోటిక్స్ అభివృద్ధిని ప్రారంభించే క్లిష్టమైన వ్యవస్థలు.

ప్రకృతి యొక్క పరమాణు యంత్రాల నుండి ప్రేరణ పొందిన శాస్త్రవేత్తలు 1994 లో మొట్టమొదటి సింథటిక్ పరమాణు యంత్రం సృష్టించబడినప్పటి నుండి కృత్రిమ ప్రతిరూపాలను అభివృద్ధి చేస్తున్నారు. ఈ పరిశోధన వేగంగా అభివృద్ధి చెందింది, ఇది మాలిక్యులర్ మెషిన్ డిజైన్‌లో పురోగతి కోసం కెమిస్ట్రీలో 2016 నోబెల్ బహుమతిలో ముగిసింది. ఒక మంచి అభ్యర్థి పాలిప్సుడోరోటాక్సేన్, ఇది పాలీ (ఇథిలీన్ గ్లైకాల్) (పిఇజి) పాలిమర్ గొలుసు బహుళ α- సైక్లోడెక్స్ట్రిన్ (α-సిడి) రింగుల ద్వారా థ్రెడ్ చేయబడుతుంది. సజల పరిష్కారాలలో, ఈ రింగులు పెగ్ గొలుసుపై స్వీయ-సమీకరిస్తాయి మరియు దాని పొడవుతో కదులుతాయి. ఏదేమైనా, ఈ కదలిక వెనుక ఉన్న నిర్దిష్ట నిర్మాణ మార్పులు అస్పష్టంగా ఉన్నాయి – ఇప్పటి వరకు.

ఇటీవల, జపాన్ అడ్వాన్స్‌డ్ ఇన్స్టిట్యూట్ ఆఫ్ సైన్స్ అండ్ టెక్నాలజీ (జైస్ట్) శాస్త్రవేత్తలు PEG గొలుసు వెంట α-CD రింగుల డైనమిక్ షట్లింగ్‌ను నిజ సమయంలో దృశ్యమానం చేశారు, ఇది గతంలో అస్పష్టంగా ఉన్న స్థానికీకరించిన నిర్మాణ మార్పులను వెల్లడించారు. ఫాస్ట్-స్కానింగ్ అటామిక్ ఫోర్స్ మైక్రోస్కోపీ (FS-AFM) అని పిలువబడే ప్రత్యేకమైన సూక్ష్మదర్శినిని ఉపయోగించి, అసోసియేట్ ప్రొఫెసర్ కెన్-ఇచి షినోహారా నేతృత్వంలోని ఈ బృందం, PEG గొలుసు వెంట కదిలే α-CD రింగుల యొక్క నిజ-సమయ చిత్రాలను సంగ్రహించింది. వారి అధ్యయనం, ప్రచురించబడింది స్థూల కణాలు మార్చి 4, 2025 న, సూపర్మోలెక్యులర్ పాలిమర్ల నిర్మాణాన్ని విశ్లేషించడానికి ఒక కొత్త పద్ధతిని పరిచయం చేస్తుంది – ఇది గతంలో సాధించలేనిది మరియు మరింత అధునాతన పరమాణు యంత్రాలకు మార్గం సుగమం చేస్తుంది.

.

పాలిప్సుడోరోటాక్సేన్ సిద్ధం చేయడానికి, పరిశోధకులు కలపాలి_{100 కె} సజల ద్రావణంలో α-CD తో మరియు నమూనా ఆరు గంటలకు పైగా విశ్రాంతి తీసుకోవడానికి అనుమతించింది. ఈ ప్రక్రియ తెల్లటి ఘన ఏర్పడటానికి దారితీసింది, తరువాత వారు 15 మిల్లీమోలార్ పొటాషియం క్లోరైడ్ సజల ద్రావణంలో FS-AFM ను ఉపయోగించి విశ్లేషించారు. రెగ్యులర్ ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోప్‌ల మాదిరిగా కాకుండా, ఉపరితలాలను స్కాన్ చేయడానికి, నానోస్కేల్ లక్షణాలను సంగ్రహించడానికి మరియు అధిక-రిజల్యూషన్ చిత్రాలను రూపొందించడానికి AFM ఒక చిన్న లివర్‌పై అల్ట్రా-పదునైన చిట్కాను ఉపయోగిస్తుంది.

పెగ్ యొక్క ఇమేజింగ్_{100 కె} గొలుసు మాత్రమే రెండు చివర్లలో గ్లోబుల్స్‌తో అత్యంత సరళమైన, డంబెల్ ఆకారపు నిర్మాణాన్ని వెల్లడించింది. ఈ వశ్యత దీనికి వసంత-లాంటి లక్షణాలను ఇచ్చింది, ఇది స్వేచ్ఛగా విస్తరించడానికి మరియు సంకోచించడానికి అనుమతిస్తుంది. తత్ఫలితంగా, రిలాక్స్డ్ అయినప్పుడు, గొలుసు దాని వాస్తవ విస్తరించిన పొడవు 790 nm కంటే చాలా తక్కువగా (సగటు 48.1 nm) కనిపించింది. Α-CD రింగులు జోడించినప్పుడు, అవి గొలుసు యొక్క వశ్యతను తగ్గించాయి. పెగ్ ఇమేజింగ్_{100 కె}α-CD పాలిప్సుడోరోటాక్సేన్ గణనీయంగా ఎక్కువ (సగటున 499.6 nm) మరియు మరింత కఠినమైన నిర్మాణాన్ని చూపించింది, ఎండ్-క్యాప్ నిర్మాణాలు α-CD రింగులు జారిపోకుండా నిరోధించాయి. ఆసక్తికరంగా, తక్కువ సౌకర్యవంతంగా ఉన్నప్పటికీ, గొలుసు ఇప్పటికీ వసంత-లాంటి కదలికను ప్రదర్శించింది, ఎందుకంటే α-CD రింగులు దాని పొడవుతో షటిల్ చేస్తూనే ఉన్నాయి.

“పాలిప్సుడోరోటాక్సేన్ పాలిమర్ గొలుసు వెంట α-CD రింగుల షట్లింగ్ ద్వారా నడిచే మరియు విస్తరించే కదలికలను ప్రదర్శించిందని మేము గమనించాము. ఈ కదలికలు ప్రధానంగా బహిర్గతమైన, స్వీయ-నింపే PEG విభాగాలలో సంభవించాయి, ఇక్కడ α-CD రింగులు కదిలినప్పుడు పదేపదే విస్తరణ మరియు సంకోచం గమనించబడింది,” అని డాక్టర్ షినోహరా వివరిస్తుంది. మాలిక్యులర్ డైనమిక్స్ అనుకరణలు ఈ ఫలితాలను మరింత ధృవీకరించాయి, FS-AFM ప్రయోగాలలో గమనించిన కుంచించుకుపోతున్న మరియు విస్తరించే కదలికలను పునరుత్పత్తి చేస్తాయి.

పూర్తిగా పనిచేసే పరమాణు యంత్రాలు దీర్ఘకాలిక లక్ష్యంగా ఉన్నప్పటికీ, ఈ అధ్యయనం సూపర్మోలెక్యులర్ వ్యవస్థలలో పరమాణు కదలికను అర్థం చేసుకోవడానికి పునాది వేస్తుంది. “FS-AFM అనేది సూపర్మోలెక్యులర్ పదార్థాలను విశ్లేషించడానికి ఒక మంచి సాంకేతికత, ముఖ్యంగా సాంప్రదాయిక స్పెక్ట్రోస్కోపిక్ పద్ధతులు నిర్మాణాత్మక విశ్లేషణకు అనుచితమైనప్పుడు” అని డాక్టర్ షినోహారా వ్యాఖ్యానించారు. ఈ అంతర్దృష్టులు శక్తి-సమర్థవంతమైన పరమాణు మోటారులకు దారితీస్తాయి, ఇవి నియంత్రిత కదలిక కోసం గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఉష్ణ శక్తిని ఉపయోగించుకుంటాయి.