يساعد النمذجة الفيزيائية للأنظمة المجهرية في الحصول على رؤى يصعب اكتسابها بوسائل أخرى. لتسهيل بناء النماذج الجزيئية الفيزيائية، نُظهر كيف يمكن استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد لتجميع نماذج مجهرية وظيفية تلتقط صفات الأنظمة الجزيئية بطريقة عن طريق اللمس.
مع النمو في إمكانية الوصول إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد ، كان هناك تطبيق متزايد واهتمام بعمليات تصنيع المواد المضافة في المختبرات الكيميائية والتعليم الكيميائي. بناء على تاريخ طويل وناجحة من النمذجة المادية للأنظمة الجزيئية، ونحن نقدم نماذج مختارة جنبا إلى جنب مع بروتوكول لتسهيل الطباعة ثلاثية الأبعاد من الهياكل الجزيئية التي هي قادرة على القيام بأكثر من تمثيل الشكل والاتصال. وتشمل النماذج التي تم تجميعها على النحو المبين الجوانب الدينامية ودرجات الحرية في الهياكل الهيدروكربونية المشبعة. وكمثال على ذلك، تم تجميع السيكلوهيكسان من أجزاء مطبوعة ونتهيت باستخدام اللدائن الحرارية المختلفة، وتحتفظ النماذج الناتجة بوظائفها في مجموعة متنوعة من المقاييس. وتظهر الهياكل الناتجة إمكانية الوصول إلى حيز التكوين بما يتفق مع الحسابات والأدب، ويمكن استخدام نسخ هذه الهياكل كـ أدوات مساعدة لتوضيح المفاهيم التي يصعب نقلها بطرق أخرى. هذا التمرين يتيح لنا تقييم بروتوكولات الطباعة الناجحة، وتقديم توصيات عملية للتجميع، وتحديد مبادئ التصميم للنظم المادية للنظم الجزيئية. توفر الهياكل والإجراءات والنتائج المقدمة أساسًا للتصنيع الفردي واستكشاف البنية والديناميات الجزيئية مع الطباعة ثلاثية الأبعاد.
كان بناء الهيكل الجزيئي منذ فترة طويلة جانبًا حاسمًا لاكتشاف والتحقق من فهمنا لشكل الجزيئات وتفاعلاتها. كان بناء النموذج المادي جانبًا محفزًا في تحديد بنية α-الحلزون في البروتينات بواسطة Pauling etal. 1، وهياكل هيدرات الكلاثرات الأولية للمياه2،3، وبنية الحلزون المزدوج للحمض النووي بواسطة واتسون وكريك4. في رواية جيمس واتسون المنشورة عن بنية الحمض النووي ، تفاصيل العديد من الصراعات التي تواجه في مثل هذا المبنى النموذجي ، مثل التفاف سلك نحاسي حول ذرات الكربون النموذجية لصنع ذرات الفوسفور ، وتعليق دقيق بشكل غير مستقر للذرات ، وصنع قصاصات من الورق المقوى للقواعد أثناء انتظار قطع القصدير من متجر الآلة5. وقد تم علاج هذه الصراعات في بناء نموذج إلى حد كبير مع زيادة النمذجة الحاسوبية أو استبدال تماما النهج الفيزيائية، على الرغم من النماذج الفيزيائية لا تزال جانبا أساسيا في التعليم الكيميائي والتجريب6،7،8،9.
منذ حوالي عام 2010، شهدت الطباعة ثلاثية الأبعاد نموًا كبيرًا في الاعتماد كأداة للتصميم والتصنيع الإبداعي. وقد كان الدافع وراء هذا النمو المنافسة وتوافر مجموعة متنوعة من ينصهر ترسب النمذجة (FDM) الطابعات من سلسلة من الشركات الجديدة التي تركز على تسويق واسع من التكنولوجيا. مع تزايد إمكانية الوصول ، كان هناك نمو متزامن في تطبيق هذه التقنيات في التعليم الكيمياءي وإعدادات المختبر التجريبي10،11،12،13،14،15،16،17،18،19،20،21. خلال هذه الفترة الزمنية، جعلت مستودعات المجتمع التجاري والمفتوح للنماذج ثلاثية الأبعاد، مثل22من النماذج المطبوعة ثلاثية الأبعاد NIH، أنظمة نموذجية للطباعة ثلاثية الأبعاد أكثر سهولة، على الرغم من أن العديد من هذه النماذج تميل إلى أن تكون مركزة على جزيئات مستهدفة محددة وتوفر هياكل ثابتة بسيطة مع التركيز على اتصال السندات والنوع. أكثر من المجموعات الذرية والجزيئية يمكن تمكين أكثر إبداعا الانشاءات12،23، وهناك حاجة لنماذج التي يمكن أن تمكن من خلق هيكل عام مع رد فعل عن طريق اللمس ، ودينامية ، وقوة حساسة للهياكل الجزيئية.
هنا، نقدم مكونات التركيبة الجزيئية التي يمكن طباعتها وتجميعها بسهولة لتشكيل نماذج جزيئية ديناميكية من الهيدروكربونات المشبعة. الهياكل المكونة هي جزء من مجموعة أوسع وضعنا لأنشطة الإرشاد والتوعية لمختبرنا وجامعتنا. وقد تم تصميم الأجزاء المقدمة لتكون قابلة للطباعة مع مجموعة متنوعة من أنواع خيوط البوليمر على طابعات FDM 3D السلعية. نقدم نتائج النموذج باستخدام البوليمرات المختلفة وتقنيات التشطيب من كل من طابعات FDM الطاردة المزدوجة والمزدوجة. هذه المكونات قابلة للتطوير، مما يتيح تصنيع نموذج مناسب لكل من التحقيق الشخصي والبيان العملي في إعدادات المحاضرات الأكبر.
الهدف الأساسي من هذا التقرير هو مساعدة الباحثين والمعلمين الآخرين في ترجمة تفاصيل البنية الكيميائية والمعرفة بطرق أكثر فيزيائية مع الطباعة ثلاثية الأبعاد. وتحقيقا لهذه الغاية، ونحن تسليط الضوء على تطبيق مثال عن طريق تجميع والتلاعب هتكسان على مختلف المقاييس. ستة أعضاء نظام تشكيلات حلقة هي موضوع أساسي في دورات الكيمياء العضوية التمهيدية24، وهذه التطابقات هي عامل في التفاعل من هياكل حلقة والسكر25،26،27. نماذج مطبوعة بمرونة اعتماد المطابقة حلقة رئيسية24، والقوة اللازمة لمسارات interconversion حلقة يمكن استكشافها مباشرة وتقييمها نوعيا باليد.
الهدف الأساسي من هذه الدراسة هو الإبلاغ عن بروتوكول لصياغة النماذج الجزيئية الديناميكية مع الطابعات ثلاثية الأبعاد السلعية. هذه الطابعات متاحة بشكل متزايد، وغالبا ما تكون مجانية للاستخدام في المكتبات والمدارس وأماكن أخرى. البدء ينطوي على اتخاذ خيارات حول كل من نماذج للطباعة والمواد لاستخدام واتخاذ قرار من هذه الخيارات قد تتطلب بعض الإلهام بشأن ما يمكن أن تفعله التصنيع المضافة الإبداعية للبحث والتعليم. لمعالجة هذه القضايا، نقدم بعض التوصيات المادية العملية، وأجزاء نموذج المقترحة، وبروتوكول الطباعة 3D، وتطبيق المثال، كل منها يستحق المزيد من المناقشة.
هناك العديد من الخيارات للبلاستيك الحراري للاستخدام في الطباعة ثلاثية الأبعاد. نسلط الضوء على ثلاثة في البروتوكول المعروض لأن هذه المواد الثلاث هي حاليا الأكثر توافرا على نطاق واسع للطباعة ثلاثية الأبعاد. قد يعتمد الاختيار على ما هي المواد التي تدعمها طابعة 3D المتاحة، على سبيل المثال العديد من مرافق الوصول المفتوح سوف تطبع فقط مع جيش التحرير الشعبي بسبب القيود البيئية. PLA هو مادة قابلة للتحلل والتسميد التي لديها بروتوكول الطباعة مع إعدادات درجة الحرارة المعتدلة. كل من ABS وPETG هي أقل صديقة للبيئة وغير قابلة لإعادة التدوير عموما، على الرغم من أن PETG يستند إلى إعادة التدوير عالية البولي ايثيلين تيريفثالات (PET) ويمكن أن نرى في نهاية المطاف إعادة معالجة انتشار أوسع مثل PET. وتشمل ممارسات الطباعة المستدامة طباعة أجزاء قليلة في وقت واحد لضمان جودة الطباعة ونجاح الطباعة، مع استخدام هذا في الوقت الذي تستخدم كمادة التخلص من القليل (هياكل الدعم، والطوافات، ودروع الزى، الخ) ممكن. جيش التحرير الشعبى الصينى يمكن أن تكون هشة، حتى إذا كان متوفرا، يمكن أن يؤدي ABS والبلاستيك PETG في مطبوعات التي هي أكثر مرونة ميكانيكيا وتحسين التصاق طبقة، على التوالي. يمكن أن تكون هذه الخصائص مرغوبة لنموذج الجزيئية التفاعلية التي ستشهد التلاعب العادية في المختبر أو الفصول الدراسية الإعداد.
تأخذ النماذج المعروضة هنا هذه الاعتبارات في الاعتبار، على الرغم من أنها مصممة أولا للعمل معا لتمكين البناء الحيوي للنموذج الجزيئي. في المقياس الافتراضي ، سوف يتجمعون بنجاح في الهياكل الجزيئية التفاعلية. ويمكن بسهولة أن يتم توسيع نطاقها إلى نماذج كبيرة، على الرغم من أن التجميع سيتطلب المزيد من القوة حيث أن شوكات الاتصال أقل سهولة في تشويهها بحجم أكبر. في تقليص المكونات، فإن تخفيض حجم 50٪ لا يزال يعمل مع تعديلات طفيفة، مثل تقليص نموذج ذرة الكربون إلى 48\u201249٪ مع الحفاظ على السندات وذرة الهيدروجين عند 50٪ لتمكين اتصالات أكثر صرامة بين الأجزاء في يطبع جيش التحرير الشعبي. النماذج الصغيرة هذه أكثر دقة وغالبا ما تتطلب هياكل الطوافة لطباعة بنجاح، لكنها لا تزال وظيفية كنماذج جزيئية ديناميكية.
تعتبر مادة اللدائن الحرارية والنماذج المختارة للطباعة أهم جانبين لبروتوكول الطباعة ثلاثية الأبعاد. سوف يتميّز اللدائن الحرارية المختارة بإملاء درجة الحرارة والالتصاق والحنّي والتشطيب والاعتبارات والخيارات. إذا لم يكن الطابعة 3D المتاحة سريرا ساخنة، جيش التحرير الشعبى الصينى هو واحد فقط من الخيارات التي قدمت البلاستيك الحراري التي سوف طباعة أجزاء reproducibly. في حين أن الأجزاء المقدمة مصممة للطباعة بشكل مستنسخ مع اللدائن الحرارية المختلفة وعقد ما يصل إلى التلاعب الديناميكي ، فإن المطبوعات تتحلل مع الاستخدام والصدع ، في كثير من الأحيان بين طبقات الطباعة ، عندما توضع تحت ضغط متزايد. في مثل هذه الحالات، من السهل نسبيا وفعالة نسبيا لطباعة جزء بديل.
إن الوظائف الديناميكية للجمعيات الجزيئية المطبوعة من النماذج المقدمة تميز هذا العمل عن النماذج الأخرى المتاحة والقابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد التي تسلط الضوء في المقام الأول على أنواع الاتصال والترابط. يتم تقديم الجوانب الديناميكية في جزء صغير مع بنية cyclohexane المثال. يمكن الوصول إلى منظر تكوين cyclohexane مباشرةً باليد باستخدام هذه النماذج، كما أن طبولوجيا هذه المناظر الطبيعية تتفق بشكل عام مع التحقيقات الحسابية. ويأتي الكثير من هذا من احترام خصوصيات الهندسة الجزيئية ودرجات الحرية في مكونات النمذجة الفيزيائية هذه. في تعليق لينوس باولينغ على نجاحها في اكتشاف بنية α-الحلزون1، زعموا أن معاصريهم واجهوا صعوبات قادمة من افتراضات مثالية متكاملة واعتماد “… فقط تقريب تقريبي تقريبي لمتطلبات المسافات بين الدول، وزوايا السندات، وألواح من مجموعة أميد مترافق، كما هو معطى من خلال تحقيقاتنا من مواد أبسط.” المزيد من التبصر الكمي على هذا المنوال يتطلب تفاصيل أكثر تحديدا من الاعتبارات المتخذة في بناء هذه الأجزاء النموذجية، ولكن هذه النماذج والتوصيات توفر أساسا للتحقيقات الفيزيائية التفاعلية العامة للأنظمة الجزيئية. هذه النماذج هي امتداد لأطقم نماذج قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد كنا ننتجها لأنشطة البحث والتوعية لعدة سنوات قبل هذا التقرير، وأجزاء مكونات إضافية متوافقة مع كل من هذه النماذج والبروتوكول الموصوف متاحة من المؤلفين لتمكين ترتيبات الترابط الأكثر تنوعًا والعمل الديناميكي.
The authors have nothing to disclose.
وقد دعم هذا العمل المؤسسة الوطنية للعلوم تحت المنحة رقم 1999. تشي-1847583.
ABS: Black 1.75 mm filament spool, 1 kg | MakerBot | MP01969 | Obtained from reseller (B&H and/or Amazon). |
ABS: Dark Gray 1.75 mm filament spool, 1 kg | Amazon | B07T6W8TRF | Obtained from reseller (B&H and/or Amazon). |
ABS: White 1.75 mm filament spool, 1 kg | Hatchbox | B00J0H6NNM | Obtained from reseller (B&H and/or Amazon). |
Crown Acetone, 1 Gallon | Crown | 206539 | Obtained from a hardwares store (Lowes). |
MakerGear M2 | MakerGear | This printer is more costly than inexpensive FDM printers obtainable on Amazon or other sites, but it is engineered for more consistent performance. | |
MakerGear M2 Dual | MakerGear | This model printer is no longer available for purchase. It has been replaced with a new model that has independent dual extruders. | |
Multi-Surface 1.88-in Painters Tape | 3M | 116480 | Obtained from a hardwares store (Lowes). |
PETG: Pink 1.75 mm filament spool, 1 kg | Amazon | Obtained from reseller (B&H and/or Amazon). No longer available from this company. | |
PETG: White 1.75 mm filament spool, 1 kg | Amazon | Obtained from reseller (B&H and/or Amazon). No longer available from this company. | |
PLA: Black 1.75 mm filament spool, 2 lb | MakerBot | MP05775 | Obtained from reseller (B&H and/or Amazon). |
PLA: Cool Gray 1.75 mm filament spool, 2 lb | MakerBot | MP05784 | Obtained from reseller (B&H and/or Amazon). |
PLA: White 1.75 mm filament spool, 2 lb | MakerBot | MP05780 | Obtained from reseller (B&H and/or Amazon). |
POLYIMIDE TAPE (2" ROLL) | MakerGear | Provided with the printer from MakerGear, though obtainable from a variety of sources. | |
Simplify3D | Simplify3D | Slicer softward used in prints. This software can be purchased from the company, or it can be purchased from MakerGear and other 3D printer makers. |