فناوری نانومولکولی؛ به‌ سوی ماشین‌ها و موتور‌های مولکولی مصنوعی

1. مقدمه

وسیله چیزی است که برای هدفی مشخص اختراع و ساخته شده است؛ ماشین نوع خاصی از وسیله است که قسمت‌های سازنده آن در اثر محرک خارجی متحمل تغییرات در بخش‌های وابسته می‌شود. پیشرفت نوع بشر همیشه وابسته به ساختن وسایل جدید بوده ‌است. بسته به نوع استفاده، این وسیله می‌تواند خیلی کوچک یا خیلی بزرگ باشد. در پنجاه سال گذشته، کوچک‌سازی تدریجی ترکیبات به‌کاررفته برای ساختن وسیله‌ها و ماشین‌ها باعث پیشرفت قابل ملاحظه فناوری، به‌خصوص در زمینه پردازش اطلاعات، شده است. یک پیش‌بینی ساده این است که این پیشرفت در زمینه کوچک‌سازی نه‌تنها باعث کاهش اندازه و افزایش قدرت رایانه‌ها می‌شود، بلکه راهی به سوی فناوری‌های جدید در زمینه‌های پزشکی، محیط زیست، انرژی، و مواد باز خواهد کرد. تا کنون، کوچک‌سازی به‌وسیله رویکرد بالا به پایین دنبال شده و محدوده‌های پایه‌ای و علمی را به‌دنبال داشته ‌است (در حدود ۵۰ نانومتر). به‌هر حال، از زمانی که ریچارد فاینمن (Richard P. Feynman) در سخنرانی معروف خود در سال ۱۹۵۹ گفت «آن پایین مکان‌های بسیاری وجود دارد،» کوچک‌سازی فراتر هم رفته است. جمله کلیدی فاینمن دنباله‌ای بود بر این جمله: «قوانین فیزیک برخلاف احتمال مانور اتم به اتم صحبت نمی‌کند.» نظریه رویکرد از پایین به بالای اتم به اتم جهت ساختن وسیله‌ها و ماشین‌های نانومقیاس برای بعضی فیزیکدان‌ها کشش داشت، اما شیمیدان‌هایی را که به‌خوبی از واکنش‌پذیری بالای تکه‌های اتمی و جنبه‌های ظریف پیوند‌های شیمیایی آگاه بودند متقاعد نکرد. شیمیدان‌ها می‌دانند که اتم‌ها کره‌های ساده‌ای نیستند که بتوان به‌دلخواه آن‌ها را از محلی به محل دیگر برد. اتم‌ها به‌صورت منحصربه‌فرد و جدا باقی نمی‌مانند و با همسایگان خود پیوندهای قوی برقرار می‌کنند. مشکل است که تصور کنیم اتم‌ها از ماده اولیه جدا شوند و به ماده دیگری انتقال یابند. در اواخر دهه ۱۹۷۰، شاخه جدیدی در شیمی به‌عنوان شیمی چندمولکولی به‌وجود آمد و با اهدای جایزه نوبل شیمی به سیجی پدرسون(C. J. Pedersen)، دی جیکرام (D. J. Cram)، و جی ام لن (J. M. Lehn) در ۱۹۸۷، به‌سرعت گسترده شد. در قالب تحقیقات در زمینه شیمی چندمولکولی، نظریه‌ای در برخی از آزمایشگاه‌ها شروع به شکل‌گرفتن کرد؛ اساس این نظریه این بود که برای ساختن وسیله‌ها و ماشین‌های نانومقیاس مولکول‌ها به‌عنوان قطعات ساختمانی متقاعدکننده‌ترند تا اتم‌ها. دلایل اساسی برای این نظریه به این شرح است: در مقابل اتم‌ها که استفاده از آن‌ها مشکل است، مولکول‌ها قطعه‌های پایداری هستند؛ طبیعت برای ساختن تعداد زیاد و متنوع نانووسیله‌ها و نانوماشین‌هایی که حیات را ایجاد کرده‌اند از مولکول‌ها استفاده کرده است نه از اتم‌ها؛ بسیاری از فرایندهای آزمایشگاهی شیمی با مولکول‌ها سر و کار دارند نه با اتم‌ها؛ مولکول‌ها اهدافی هستند که شکل‌های متفاوت و منحصربه‌فرد را عرضه می‌کنند و خواص مرتبط به وسیله‌ها را منتقل می‌کنند (خواصی که به‌وسیله ورودی‌های الکتروشیمیایی و فوتوشیمیایی کنترل می‌شوند)؛ و مولکول‌ها می‌توانند به‌صورت تکی باشند یا به‌صورت متصل ساختار‌های بزرگ‌تری را تشکیل دهند.در همین زمان، تحقیقات بر روی وسیله‌های الکترونیکی مولکولی شروع به رشد و توسعه کرد. در سال‌های بعد، شیمی چندمولکولی خیلی سریع رشد کرد و مشخص شد که رویکرد پایین به بالا بر اساس مولکول‌ها احتمالات کمابیش نامحدودی را در رابطه با طراحی و ساختن وسیله‌ها و ماشین‌های مصنوعی در سطح مولکولی ایجاد می‌کند. به‌تازگی، مفهوم کلی مولکول‌ها به‌عنوان اشیای نانومقیاس که شکل، اندازه، و خواص خود را دارند با روش‌های جدید و خیلی قوی - مثل طیف‌سنجی فلوئورسانس تک‌مولکولی (Single-Molecule Fluorescence Spectroscopy) و انواع مختلف میکروسکوپ‌های روبشی که قادر به دیدن یا دستکاری تک‌مولکول‌‌ها و ‌شناسایی تکی مولکول‌ها در واکنش‌های شیمیایی دومولکولی هستند - تایید شده است. ساختن ماشین‌ها و وسیله‌ها در سطح مولکولی از فرایند‌های برجسته مولکولی الهام گرفته است، فرایندهایی‌ که رازهای ماشین‌ها و وسیله‌های مولکولی طبیعی، ایجادکنندگان مواد پایه‌ای حیات، را آشکار می‌سازد. ساختن ماشین‌ها و وسیله‌ها با رویکرد پایین به بالا به‌اندازه طبیعت پیچیده است و البته کاری است ناممکن. بنابراین، شیمیدان‌ها تلاش کردند سیستم‌های ساده‌تری را بدون تقلید از ساختارهای پیچیده‌ بیولوژیکی ایجاد کنند. در سال‌های اخیر، توانایی سنتز، که همیشه ویژگی برجسته ‌یک شیمیدان بوده، به‌همراه تکامل ماهرانه‌ طراحی دستگاه‌ها، که ناشی از علاقه شیمیدان‌ها به عملکرد و واکنش است، به دستاورد‌های برجسته‌ای در این زمینه منجر شده‌ است.2. خواص ماشین‌ها و موتورهای مولکولیوقتی به سیستم‌های مولکولی ارجاع داده می‌شود، کلمات ماشین و موتور به‌صورت قابل جایگزینی با یکدیگر به‌کار می‌روند؛ این مسئله باید اصلاح شود. به‌هر حال، موتور انرژی را به کار مکانیکی تبدیل می‌کند، در حالی که ماشین وسیله‌ای است عمدتاً شامل یک جزء موتور و برای انجام‌دادن یک عمل خاص طراحی شده ‌است. ماشین‌ها و موتورهای مولکولی که به‌وسیله الکترونیک و/ یا نوآرایی‌‌های هسته‌ای عمل می‌کنند، مانند نمونه‌های ماکروسکوپی، با موارد زیر متمایز می‌شوند:‌ نوع انرژی ورودی برای به‌کارانداختن آن‌ها؛ نوع حرکت‌های انجام‌شده به‌وسیله اجزای آن‌ها (خطی، چرخشی، نوسانی، و غیره)؛ راهی که عملکرد آن‌ها ‌شناسایی می‌شود؛ احتمال تکرار عمل انجام‌شده به‌دلخواه (فرایند چرخه‌ای)؛ و زمانی که برای کامل‌کردن چرخه مورد نیاز است.با توجه به دورنمای توضیح داده‌شده، یک عامل اضافه و ویژگی بسیار مهم ماشین‌های مولکولی نسبت به موتورهای مولکولی عمل انجام‌شده به‌وسیله آن‌هاست.

تا جایی که به مورد (۱) مربوط است، یک واکنش شیمیایی، حداقل در تئوری، می‌تواند به‌صورت انرژی ورودی عمل کند. به‌هر حال، در این مورد اگر یک ماشین مجبور است به‌صورت چرخه‌ای عمل کند (مورد ۴)، به اضافه‌کردن واکنشگرها در هر مرحله از چرخه نیازمند است و انباشتگی محصولات فرعی در نتیجه اضافه‌کردن مرتب مواد، می‌تواند به عملکرد دستگاه لطمه بزند. در نتیجه این موضوع، بهترین انرژی‌های ورودی که می‌توانند یک وسیله مولکولی را وادار به کار کنند فوتون‌ها و الکترون‌ها هستند. طراحی وسایل مولکولی جالبی بر پایه میزان مناسب‌بودن در واکنش‌های شیمیایی که تحت تاثیر الکتروشیمی و فوتوشیمی هستند قطعاً ممکن است.

برای کنترل و ‌شناسایی عملکرد دستگاه (مورد ۳) نوآرایی‌های هسته‌ای و/ یا الکترونی اجزا باعث تغییرات منطقی در برخی از خواص فیزیکی و شیمیایی سیستم می‌شود. از این رو، روش‌های فوتوشیمیایی و الکتروشیمیایی زمانی مفیدند که هم الکترون‌ها و هم فوتون‌ها بتوانند نقش دوگانه «نوشتن» (ایجاد تغییر در سیستم) و «خواندن» (گزارش حالت سیستم) را ایفا کنند. زمان عمل ماشین‌های مولکولی (مورد ۵) را می‌توان، بسته به نوع نوآرایی‌ها و طبیعت ترکیبات دخیل، در محدوده میکروثانیه تا ثانیه قرار داد. در نهایت، تا جایی که به مورد (۶) مربوط است، عملکردی که می‌تواند با بهره‌گیری از حرکات اجزای ماشین‌های مولکولی صورت گیرد بسیار متنوع است و در یک مقیاس گسترده غیر قابل پیش‌بینی. باید اشاره کنیم حرکات مکانیکی که در سطح ماشین‌های مولکولی اتفاق می‌افتد و به تغییرات خواص الکتروشیمیایی و طیف‌سنجی وابسته است معمولاً از منطق دوتایی تبعیت می‌کند؛ بنابراین، می‌تواند به‌عنوان زیربنا برای پردازش اطلاعات در سطح مولکولی استفاده شود. ماشین‌های مولکولی مصنوعی که قادر به عملکرد منطقی هستند گزارش شده‌اند.3. روتاکسان‌ها و کتنان‌ها به‌عنوان ماشین‌های مولکولی مصنوعی

بسیاری از ماشین‌ها و موتورهای مصنوعی که اخیراً طراحی شده‌اند بر پایه ترکیبات درون‌قفل‌شونده به‌نام کتنان‌ها و روتاکسان‌ها هستند. اسم این ترکیبات از کلمات لاتین rota و axis به‌معنی چرخ و میله و catena به‌معنی زنجیر مشتق شده ‌است. روتاکسان‌ها حداقل از یک مولکول میله‌مانند ایجاد می‌شوند که به‌وسیله یک ترکیب ماکروحلقه احاطه شده است و در انتها شامل گروه‌های حجیم (متوقف‌کننده) است که مانع از‌هم‌گسیختن ترکیب شده‌اند (شکل ۱. A). کتنان‌ها از حداقل دو ماکروحلقه درهم قفل‌شده تشکیل می‌شوند (شکل ۱. B). کتنان‌ها و روتاکسان‌ها سیستم‌های جالبی برای ساختن ماشین‌های مولکولی هستند، زیرا حرکت ترکیب‌های مولکولی آن‌ها به‌راحتی قابل تصور است (شکل ۲). ویژگی‌های مهم این سیستم‌ها ناشی از برهم‌کنش‌های غیر کوالانسی بین ترکیباتی است که دارای مکان‌های پذیرش مکملند. برهم‌کنش‌هایی که همچنین مسئول سنتز بهینه و مستقیم قالب کتنان‌ها و روتاکسان‌ها هستند باید این توانایی‌ها را داشته باشند: پذیرندگی و دهندگی الکترون، پیوند هیدروژنی، خاصیت آبدوستی، انباشتگی پیوند، نیروهای کلمبیک، و در بخش‌های با محدودیت زیاد برهم‌کنش، امکان ایجاد پیوند فلز- لیگاند.

4. کنترل رفت و برگشت مولکولی با اسید-باز

در روتاکسان‌هایی که شامل دو ناحیه پذیرش متفاوت در قسمت دمبل‌شکل (dibenzo[24]crown) ترکیب هستند این امکان وجود دارد که موقعیت حلقه با محرک خارجی بین دو وضعیت تغییر کند. سیستمی که رفت و برگشت در مولکول‌های آن به‌صورت شیمیایی قابل کنترل است ترکیب +۱3 است که در شکل ۳ نشان داده شده است‌. ماکروحلقه از دی‌بنزو ۲۴ کرون (Dialkylammonium) ساخته شده و قسمت دمبل‌شکل آن شامل مرکز دی‌آلکیل آمونیوم10 و یک واحد ۴، ۴-بی‌پیریدنیوم (4,4 - bipyridinium) است. نیمه‌آنتراسن به‌دلیل لومینسانس (luminescence) و خواص کاهشی که برای ‌شناسایی سیستم سودمند است، به‌عنوان متوقف‌کننده استفاده می‌شود. تا زمانی که برهم‌کنش‌های پیوند هیدروژنی N+−H•••O بین ماکروحلقه (DB24C8) و مرکز آمونیوم خیلی قوی‌تر از برهم‌کنش‌های‌دهنده-پذیرنده الکترون بین ماکروحلقه و واحد بی‌پیریدنیوم باشد، روتاکسان فقط به‌صورت یکی از دو ایزومر انتقالی مولکول وجود دارد. هیدروژن‌زدایی مرکز آمونیوم با باز (آمین نوع ۳) صد در صد باعث جابه‌جایی ماکروحلقه به سمت واحد بی‌پیریدنیوم می‌شود. پروتون‌دارکردن ماکروحلقه را دوباره به سمت مرکز آمونیوم هدایت می‌کند (شکل ۳). چنین فرایند‌های سوئیچینگ (Switching) در محلول به‌وسیله طیف‌سنجی H-NMR و اندازه‌گیری‌های الکتروشیمیایی و فوتوفیزیکی ‌شناسایی شده‌‌اند. با وجود تشکیل محصولات جانبی، قابلیت برگشت شیمیایی کامل واکنش اسید/ باز امکان برگشت حرکات مکانیکی را هم تضمین می‌کند. دقت کنید تا زمانی که این سیستم رفتار منطق دوتایی را داشته باشد می‌تواند در پردازش اطلاعات استفاده شود. باید متذکر شد که در روتاکسان هیدروژن‌زدایی‌شده امکان دارد حلقه تاجی‌شکل از محل بی‌پیریدنیوم با تخریب برهم‌کنش پذیرنده-دهنده، از طریق کاهش محل بی‌پیریدنیوم یا اکسایش واحد دی‌اکسی بنزن (dioxybenzene) ماکروحلقه، جایگزین شود. بنابراین، در این سیستم حرکات مکانیکی می‌تواند با دو نوع متفاوت انگیزش (اسید/ باز و الکترون/ حفره) معرفی شود.

5. رفت و برگشت مولکولی کنترل‌شونده با نور

به چند دلیل، نور یکی از مناسب‌ترین انواع انرژی برای فعال‌کردن ماشین‌های مولکولی مصنوعی است. به‌منظور حرکت حلقه با القای نور در روتاکسان‌هایی که دو موقعیت متفاوت در ترکیب بخش دمبل‌شکل خود دارند، ترکیب کاملاً طراحی‌شده +26 (شکل ۴) سنتز شد. این ترکیب از یک ماکروحلقه R که پذیرنده-دهنده الکترون است، یک ترکیب دمبل‌شکل که شامل [Ru (bpy)3]2+ است و با حرف P در شکل مشخص شده، به‌عنوان یک متوقف‌کننده، و همچنین واحدهای ۴، ۴- بی‌پیریدنیوم و ۳، ۳-دی متیل-۴، ۴-بی‌پیریدنیوم(3,3 – dimethyl – 4,4 bipyridinium) (که به‌ترتیب با A1 و A2 در شکل مشخص شده‌اند) به‌عنوان واحدهای پذیرنده الکترون، یک حلقه پاراترفنیل‌مانند (P- terphenyl - type) به‌عنوان فضای سخت و ثابت (S)، و نیز یک گروه تتراآمیل متان (tetraarylmethane) (T) به‌عنوان متوقف‌کننده دوم تشکیل شده است. ساختار روتاکسان +۲۶ به‌وسیله طیف‌سنجی جرمی و H-NMR شناسایی شده است؛ همچنین، به‌همراه ولتامتری چرخه‌ای، اثبات شده که ایزومر انتقالی پایدار حالتی است که ترکیب R واحد A1 را احاطه کرده است، با توجه به این حقیقت که این وضعیت نسبت به وضعیت دیگر پذیرنده الکترون بهتری است. خواص الکتروشیمیایی، فوتوفیزیکی، و فوتوشیمیایی (تحت تهییج پیوسته و ضربه‌ای) روتاکسان و قسمت دمبل‌شکل آن و چند ترکیب مدل‌ شناسایی شده‌اند. دو راهبرد برای به‌دست‌آوردن حرکات منحنی‌مانند نور القاشده ماکروحلقه R بین دو وضعیت A1 و A2 متصور است، یکی بر پایه فرایندهایی است که فقط شامل ترکیب روتاکسان هستند (سازوکار درون‌مولکولی)، در حالی که دیگری نیازمند کمک واکنشگرهای خارجی است (سازوکار قربانی‌کردن). سازوکار درون‌مولکولی نشان داده‌شده در سمت چپ شکل ۴ بر پایه چهار فرایند است:

• ناپایداری ایزومر انتقالی پایدار:

تهییج نوری واحد فعال نوری P(مرحله ۱) با انتقال الکترون از حالت برانگیخته A₁ دنبال می‌شود که با حلقه R محاط شده است (مرحله ۲). در نتیجه غیر فعال شدن این وضعیت، فرایند انتقال الکترون با القای نور باید با تخریب درونیP دنبال شود (مرحله ۳).• جایگزینی حلقه: حلقه از وضعیت کاهیده‌شده A^-₁ به A₂ حرکت می‌کند (مرحله ۴). این مرحله باید با برگشت فرایند انتقال الکترون از A^-₁ (هنوز به‌وسیله R محاط است) به واحد P+ نور فعال اکسیدشده کامل شود (مرحله ۵). این مشکل‌ترین پیش‌نیاز مشاهده سازوکار درون‌مولکولی است.• برگشت الکترونی: برگشت فرایند انتقال الکترون از وضعیت آزاد A^-₁ به ⁺P(مرحله ۶) قدرت پذیرش الکترون وضعیت A₁ را بازمی‌گرداند.• برگشت هسته: به‌عنوان پیامد برگشت الکترون، برگشت حلقه از A₂ به A₁ اتفاق می‌افتد (مرحله ۷).

نتایج به‌دست‌آمده به‌طور واضح مشخص نمی‌کند در سیستمی که به‌وسیله نور تهییج‌شده (مرحله ۵، k=2.4×10⁵ s^-1) آیا جایگزینی حلقه (مرحله ۴) سریع‌تر از برگشت الکترون است یا خیر. مطالعات بیشتر لیزر فوتولیز نوری پیشنهاد می‌کند که این دو فرایند باید در محدوده زمانی یکسانی اتفاق بیفتد. اشاره به این نکته مفید است: در سیستمی که طبق سازوکار درون‌مولکولی نشان داده‌شده در شکل ۴ (سمت چپ) رفتار می‌کند نوری که باعث حرکات رفت و برگشتی حلقه می‌شود بدون تولید مواد زائد است (در یک چرخه کامل). از طرفی، این سیستم را می‌توان به‌صورت یک چرخه موتور خطی چهارزمانه که با نور فعال می‌شود بررسی کرد. سازوکار کمتردشوار بر پایه استفاده از واکنشگر خارجی مصنوعی (یک کاهنده مثل تری‌اتانول آمین و یک اکسنده مثل اکسیژن) که در سمت راست شکل چهار نشان داده‌ شده است به‌شرح زیر عمل می‌کند:

• ناپایداری ایزومر انتقالی پایدار مانند سازوکار قبلی

 جایگزینی حلقه بعد از بیرون‌راندن واحد فعال نوری اکسیدشده: تا زمانی که محلول شامل یک کاهنده قربانی مناسب است، واکنش سریع این گونه‌ها با ⁺P(مرحله ۸) با واکنش برگشت الکترون انتقالی به‌صورت موفقیت‌آمیز رقابت می‌کند (مرحله ۵). بنابراین، موقعیت اصلی اشغال‌شده در حالت خود باقی می‌ماند و جایگزینی حلقه R به A₂ (مرحله ۴) اتفاق می‌افتد، حتی اگر آهسته باشد.• برگشت الکترون: بعد از یک زمان مناسب قدرت پذیرش‌دهندگی وضعیت A₁ با اکسیدشدن با یک اکسیدان مناسب مثل O₂ دوباره احیا می‌شود (مرحله ۹).

• برگشت هسته مانند سازوکار قبلی (مرحله ۷).

نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که این سازوکار قربانی‌کردن کاملاً موفق است. البته این سازوکار به‌دلیل تولید مواد زائد نسبت به سازوکار درون‌مولکولی کمتر جالب توجه است. یک راه چاره استفاده از گونه‌های واکنش‌دهنده‌ غیر قربانی‌شونده (برگشت‌پذیر) است که بعد از برگشت فرایند انتقال الکترون دوباره تولید می‌شود.

6. کنترل چرخش حلقه در کتنان‌ها

در یک کتنان تغییر ساختاری با چرخش یک حلقه نسبت به حلقه دیگر، وقتی که یکی از دو حلقه شامل دو واحد غیر کوالانسی باشد، به‌صورت واضح مشاهده می‌شود. در کتنان ^۴+۳ نشان داده شده در شکل ۵، سیکلوفن تتراکاتیونی (Tetracationic cyclophane) پذیرنده الکترونی متقارن است، در حالی که حلقه دیگر شامل دو واحد دهنده الکترون متفاوت است. به این صورت، یک تتراتیو فولوان (Tetrathia fulvalene) و یک واحد ۱،۵-دی‌اکسن نفتالن (dioxynaphthalene-1/5) در ساختار کتنان دهنده‌ الکترون درون حفره حلقه پذیرنده‌ الکترون قرار می‌گیرد و تاثیر دو واحد پذیرنده‌ الکترون را تجربه می‌کند، در حالی که دهنده الکترون مجاور فقط تاثیر یک پذیرنده الکترون را تجربه می‌کند. بنابراین، الکترون دهنده بهتر، به‌عنوان مثال THF، وارد حلقه پذیرنده می‌شود و الکترون دهنده دیگر (DON) در مجاور آن باقی می‌ماند. در اکسایش شیمیایی الکترون فرایندی که اول مشاهده می‌شود مربوط به THF است و بنابراین، خواص الکترون‌دهندگی‌اش را از دست می‌دهد. علاوه‌بر این، دافعه الکترونی بین ⁺THF و ماکروحلقه تتراکاتیونی زیاد می‌شود. این تاثیرات باعث چرخش یک حلقه برای تولید ایزومر انتقالی با نیمه DON جایگزین‌شده درون حلقه پذیرنده می‌شود. بر پایه کاهش ⁺THF ساختار اولیه دوباره ایجاد می‌شود. بنابراین، این اتفاق ممکن است بدون چرخش کامل روی دهد. احتمال می‌رود برگشتی که در اثر کاهش ⁺THF به‌وسیله چرخش معکوس اتفاق افتاده با چرخشی که در سوئیچینگ پیشین در اثر اکسیداسیون THF رخ داده است رقابت کند. برای به‌دست‌آوردن چرخش کامل (مانند یک موتور چرخشی در سطح مولکولی) هدایت هر یک از حرکات سوئیچینگ باید قابل کنترل باشد. این هدف احتمالاً با استفاده از عملگرهای مناسب در یکی از دو ماکروحلقه حاصل می‌شود. وقتی این هدف به‌دست آمد، احتمال دارد که انرژی پتانسیل الکتریکی به چرخش مکانیکی در سطح مولکولی تبدیل شود. چرخش حلقه‌های مولکولی در کتنان‌هایی که از سه حلقه درهم قفل‌شده تشکیل شده‌اند کنترل شده است (^۶+۴، شکل ۶). با اضافه‌کردن یک الکترون به هر یک از واحدهای بی‌پیریدنیوم، ماکروحلقه بر روی وضعیت آمونیوم حرکت می‌کند و به وضعیت اصلی، وقتی که واحدهای بی‌پیریدنیوم دوباره اکسید شده‌اند، برمی‌گردد. به‌تازگی، در کتنان‌هایی بر پایه پپتیدها که ساختاری مثل ۶+۴ دارند چرخش یک‌جهتی حلقه به‌دست آمده است.

7. زیست‌فناوری نانو

تلفیق زیست‌فناوری با فناوری نوظهور نانو مباحث‌ جدیدی بین پژوهشگران، هم در سطح دانشگاهی و هم در حوزه صنعت، به‌‌وجود آورده است. نتیجه این تلفیق ظهور «زیست‌فناوری نانو» به‌عنوان یک زمینه تحقیقاتی بین‌‌رشته‌ای است که به‌‌سرعت در حال رشد و توسعه است و با مقوله علم و مهندسی در سطح مولکول ارتباط دارد. بعضی از صاحب‌‌نظران زیست‌فناوری نانو را، به‌عنوان زیرمجموعه‌ای از فناوری نانو، به این صورت تعریف کرده‌اند: «مطالعه و ایجاد ارتباط بین زیست‌شناسی مولکولی ساختاری و فناوری نانومولکولی.» عده‌ای دیگر آن ‌را، به‌عنوان زیرمجموعه‌ای از زیست‌فناوری، به این شکل تعریف کرده‌اند: «به‌کارگیری پتانسیل بالقوه زیست‌شناسی در ساخت و سازماندهی ساختارهای پیچیده با استفاده از مواد ساده و با دقت در حد اتم.» تنها تفاوتی که در این زمینه بین زیست‌فناوری نانو و زیست‌شناسی وجود دارد این است: طراحی و ساخت در مقیاس نانو جزء جدایی‌ناپذیر پروژه‌های زیست‌فناوری نانو است، در حالی‌ که در پروژه‌های زیست‌فناوری نیازی به فهم و طراحی در حد نانو نیست. برخلاف تعریف «زیست‌فناوری» - که به‌معنی فناوری استفاده از موجودات زنده و اجزای موجودات زنده در راستای نیازهای صنایع مختلف است - و برخلاف تعریف واژه‌هایی چون «زیست‌مواد» و «زیست‌مکانیک» - که معمولاً به‌معنی استفاده از قابلیت‌های فناوری‌های «مواد» یا «مکانیک» در کاربردهای زیستی هستند، - در تعریف زیست‌فناوری نانو هم کاربرد ابزارهای زیست‌شناسی، به‌عنوان سازمان‌دهنده و ماده اولیه جهت ساخت محصولات و مواد نانویی، مورد توجه است و هم کاربرد محصولات تولیدی فناوری نانو، جهت مطالعه وقایع درون سلول‌های زنده و تشخیص و معالجه بیماری‌ها. آن‌چه که مسلم است این است: ظهور این زمینه تحقیقاتی حاصل تغییر عقیده بسیاری از پژوهشگران در استفاده از راهکارهای پایین به بالا به‌جای استفاده از راهکار بالا به پایین جهت ساخت وسیله‌ها و مواد بسیار ریز است. در راهکارهای بالا به پایین فناوری نانو سعی بر این است که وسیله‌های موجود مرتباً کوچک‌تر شوند. به این راهکار «فناوری نانو مکانیکی» نیز گفته می‌شود. اما در راهکار پایین به بالا هدف ایجاد ساختارهای ریز از طریق اتصال اتم‌ها و مولکول‌ها به‌ یکدیگر است. در این راهکار از الگوهای زیست‌شناسی بهره‌گیری می‌شود. برخی از محصول‌ها و زمینه‌های فعالیت زیست‌فناوری نانو عبارتند از:

1.7. زیست‌نانوماشین‌ها

مهم‌ترین زمینه کاربرد زیست‌فناوری نانو ساخت زیست‌نانوماشین‌ها (ماشین‌های مولکولی با ابعادی در حد نانومتر) است. در یک باکتری هزاران زیست‌نانوماشین مختلف وجود دارد. نمونه آن‌ها ریبوزوم‌ (دستگاه بسته‌بندی پروتئین) است که محصول‌های نانومتری (پروتئین‌ها) را تولید می‌کند. از خصوصیت‌های خوب زیست‌نانوماشین‌ها (به‌عنوان مثال، حسگرهای نوری یا آنتی‌بادی‌ها) امکان ترکیب‌کردن آن‌ها با وسیله‌های سیلیکونی با استفاده از فرایند میکرولیتوگرافی است. به این ترتیب، با ایجاد پیوند بین دنیای نانو در زیست‌نانوماشین و دنیای ماکرو در رایانه، می‌توان امکان حسگری مستقیم و بررسی وقایع نانویی را به‌وجود آورد. نمونه کاربردی این سیستم ساخت شبکیه مصنوعی با استفاده از پروتئین باکتریورودوپسین (Bacteriorhodopsin) است.

2.7. زیست‌مواد

کاربرد دیگر زیست‌فناوری نانو ساخت مواد زیستی مستحکم و زیست‌تخریب‌پذیر است. از جمله این مواد می‌توان به DNA و پروتئین‌ها اشاره نمود. موارد کاربرد این مواد، به‌خصوص در زمینه پزشکی، متعدد است. از ‌جمله کاربردهای آن‌ها استفاده به‌عنوان قالب‌های سازنده نانومدارها و در نهایت، ساخت نانووسیله‌ها است. همچنین، به‌‌دلیل خصوصیت‌های مناسب این مواد، از آن‌ها در ترمیم ضایعات پوستی نیز استفاده می‌شود.

3.7. موتورهای زیست‌مولکولی

موتورهای زیست‌مولکولی موتورهای محرکه سلول هستند که معمولاً از دو یا چند پروتئین تشکیل شده‌اند و انرژی شیمیایی (عموماً به‌شکلATP) را به حرکت (مکانیکی) تبدیل می‌کنند. از جمله این موتورها می‌توان به پروتئین میوزین، پروتئین‌های درگیر در ترمیم DNA یا ویرایش RNA (به‌عنوان مثال، آنزیم‌های برشی)، و ATPase اشاره کرد. از این موتورها در ساخت نانوروبات‌ها و شبکه هادی‌ها و ترانزیستورهای مولکولی (قابل استفاده در مدارهای الکترونیکی) استفاده می‌شود. از جمله زمینه‌های دیگری که در آن از زیست‌فناوری نانو استفاده می‌شود می‌توان به موارد زیر اشاره نمود: فناوری دستکاری تک‌مولکول‌ها، فناوری زیست‌تراشه‌ها و رهاکردن دارو (نانوکپسول‌ها و نانوحفره‌ها)، فناوری میکروسیال‌ها (به‌عنوان مثال، ساخت پمپ‌ها، حسگرها، و اهرم‌های نانو)، زیست‌مهندسی نوکلئیک اسید (ساخت نانوسیم DNA یا کاربرد در همسان‌‌سازی و تبدیل)، نانوزیست پردازش (خودساماندهی، دستکاری سلولی، و تولید فراورده‌های زیستی)، حسگرهای زیستی (ارزیابی ایمنی غذا و محیط ‌زیست) و سطوح زیست‌گزینش (مورد استفاده در فناوری‌های جداسازی زیستی)

8. نتیجه‌گیری و چشم‌اندازها

در سال‌های اخیر، مثال‌هایی از ماشین‌ها و موتورهای مولکولی طراحی و ساخته شده‌اند. باید متذکر شد که هرچند ماشین‌های سطح مولکولی توضیح داده‌شده در این بخش در محلول عمل می‌کنند، این یک شیوه نامنسجم است. اگرچه مطالعه محلول‌های سیستم‌های شیمیایی به پیچیدگی ماشین‌های مولکولی است، این مطالعات به‌صورت پایه‌ای مهم است. منطقی به‌نظر می‌آید که قبل از سوارکردن عملگرهای چندمولکولی، تقاضای ماشین‌ها در سطح مولکولی را پیدا کنیم، چرا که آن‌ها باید با جهان ماکروسکوپی، با تقاضای مشابه، روبه‌رو شوند. نسل بعدی ماشین‌ها و موتورهای مولکولی نیاز خواهند داشت به‌صورت بین‌رشته‌ای عمل کنند، بر روی سطوح قرار گیرند، یا بر روی غشاها و مواد متخلخل تثبیت شوند، تا بتوانند به‌صورت منسجم عمل کنند. قطعاً تهیه الکترودهای بهینه‌شده یکی از راه‌های پیشرو را برای رسیدن به این هدف ارائه می‌دهد. وسایل الکترونی حالت جامد بر پایه روتاکسان‌ها و کتنان‌های کاربردی تا کنون توسعه پیدا کرده‌اند. علاوه ‌بر این، نشانه‌گذاری وسیله‌ها در سطح تک‌مولکولی با ابزارهایی که در حد نانو کار می‌کنند دیگر یک رویا نیست. جدای از کاربردهای کم و بیش آینده‌نگرانه، گسترش مفهوم ماشین به سطح مولکولی نه فقط در توسعه فناوری نانو بلکه برای رشد تحقیقات پایه‌ای نیز مورد توجه است. نگاه‌کردن به شیمی چندمولکولی از نقطه نظری کاربردی با ارجاع به وسیله‌های جهان ماکروسکوپی قطعاً شیوه‌ای جالب است که برداشت‌های جدیدی را وارد شیمی، به‌عنوان یک رشته تحصیلی، می‌کند.