Физическое моделирование микроскопических систем помогает получить понимание, которое трудно получить другими средствами. Чтобы облегчить построение физических молекулярных моделей, мы демонстрируем, как 3D-печать может быть использована для сборки функциональных макроскопических моделей, которые тактильные качества молекулярных систем уловить.
С ростом доступности 3D-печати растет число аспектов и интереса к процессам аддитивного производства в химических лабораториях и химическом образовании. Опираясь на долгую и успешную историю физического моделирования молекулярных систем, мы представляем избранные модели вместе с протоколом для облегчения 3D-печати молекулярных структур, которые способны сделать больше, чем представляют форму и связь. Модели, собранные по описанию, включают динамические аспекты и степени свободы в насыщенные углеводородные структуры. В качестве репрезентативного примера циклохексан был собран из деталей, напечатанных и законченных с использованием различных термопластиков, а полученные модели сохраняют свою функциональность в различных масштабах. Полученные структуры показывают конфигурационную доступность пространства в соответствии с расчетами и литературой, и версии этих структур могут использоваться в качестве вспомогательных средств для иллюстрации концепций, которые трудно передать другими способами. Это упражнение позволяет нам оценить успешные протоколы печати, дать практические рекомендации по сборке и наметить принципы проектирования для физического моделирования молекулярных систем. Предоставленные структуры, процедуры и результаты обеспечивают основу для индивидуального производства и исследования молекулярной структуры и динамики с помощью 3D-печати.
Строительство молекулярной структуры уже давно является критическим аспектом для открытия и проверки нашего понимания формы и взаимодействий между молекулами. Физическое здание модели было мотивирующим аспектом в определении структуры спирали в белках Полинг и др.1, первичные клатрат гидрат структурыводы 2,3, и двойной спирали структуры ДНК Уотсон и Крик4. α В опубликованном отчете Джеймса Уотсона о структуре ДНК, он подробно рассказывает о многих трудностях, с которыми сталкиваются в таком модельном здании, например, обертывании медной проволоки вокруг модели атомов углерода, чтобы сделать атомы фосфора, неустойчиво деликатные суспензии атомов, и сделать картонные вырезы из баз, ожидая вырезов из цеха5. Такая борьба в модельном строительстве в значительной степени были устранены с вычислительным моделированием увеличения или полностью вытеснить физические подходы, хотя физические модели остаются важным аспектом в химическом образовании и экспериментов6,7,8,9.
Примерно с 2010 года, 3D-печать наблюдается значительный рост в принятии в качестве инструмента для творческого дизайна и производства. Этот рост был обусловлен конкуренцией и наличием различных принтеров Fused-Deposition Modeling (FDM) от ряда новых компаний, ориентированных на широкую коммерциализацию технологии. С ростом доступности наблюдается одновременный рост применения этих технологий в химическом образовании и экспериментальных лабораторных условиях10,11,12,13,,,,14,15,16,17,18,19,20,21.13 В течение этого периода времени, как коммерческие, так и открытые хранилища сообщества для 3D-моделей, таких как NIH 3D Print Exchange22, сделали модельные системы для 3D-печати более доступными, хотя многие из этих моделей, как правило, сосредоточены на конкретных молекулах цели и обеспечивают простые статические структуры с акцентом на подключение к облигациям и тип. Более общие атомные и молекулярные группы могут позволить более творческие конструкции12,,23, и есть необходимость в моделях, которые могут позволить общее создание структуры с тактильными, динамическими и силы чувствительной обратной связи для молекулярных структур.
Здесь мы представляем компоненты молекулярной модели структуры, которые могут быть легко напечатаны и собраны для формирования динамических молекулярных моделей насыщенных углеводородов. Компонентные структуры являются частью более широкого комплекта, который мы разработали для расширения и информационно-пропагандистской деятельности для нашей лаборатории и университета. Предоставленные детали были спроектированы для печати с различными типами полимерных нитей на товарных 3D-принтерах FDM. Мы представляем результаты модели с использованием различных полимеров и методов отделки как из одного, так и из двойных экструдерных принтеров FDM. Эти компоненты масштабируемы, что позволяет производить модель, подходящую как для личного исследования, так и для демонстрации в больших условиях лекций.
Основная цель настоящего доклада заключается в оказании помощи другим исследователям и преподавателям в переводе деталей и знаний химической структуры более физическими способами с помощью 3D-печати. С этой целью мы выделяем пример приложения, собирая и манипулируя циклохексаном в разных масштабах. Шести членов кольцо системы конформации являются основной темой в вводных курсов органической химии24, и эти конформеры являются фактором в реактивности кольца и сахара структур25,26,27. Печатные модели гибко принимают ключевые кольца конформеры24, и силы, необходимые для кольца интерконверсии пути могут быть непосредственно изучены и качественно оценены вручную.
Основная цель данного исследования – сообщить о протоколе разработки динамических молекулярных моделей с товарными 3D-принтерами. Эти принтеры становятся все более доступными, часто даже бесплатными для использования в библиотеках, школах и других местах. Начало работы включает в себя выбор как модели для печати и материалов для использования и принятия решения из этих вариантов может потребовать некоторого вдохновения относительно того, что творческое производство добавок может сделать для исследований и обучения. Для решения этих вопросов мы предоставляем некоторые практические рекомендации по материалам, предлагаемые части моделей, протокол 3D-печати и пример приложения, каждое из которых требует дальнейшего обсуждения.
Есть много вариантов термопластика для использования в 3D-печати. Мы выделяем три в представленном протоколе, поскольку эти три материала в настоящее время являются наиболее широко доступными для сделай сам 3D-печати. Выбор может зависеть от того, какой материал поддерживается доступным 3D-принтером, например, многие объекты открытого доступа будут печататься только с НОАК из-за экологических ограничений. PLA является биоразлагаемым и компостируемым материалом, который имеет протокол печати с мягкими температурными настройками. Оба ABS и PETG являются менее экологически чистыми и, как правило, не перерабатываемых, хотя PETG основана на высокоперерабатываемой полиэтилен терефталат (ПЭТ) и в конечном итоге может увидеть более широкое распространение переработки, как ПЭТ. Устойчивое использование практики печати будет включать в себя печать нескольких частей в то время, чтобы обеспечить качество печати и успех печати, при этом, используя как мало отбрасываются материала (поддержка структур, плоты, ил щиты и т.д.), как это возможно. PLA может быть хрупким, так что при наличии, ABS и PETG термопластик может привести к отпечаткам, которые являются более механически устойчивыми и улучшили спайки слоя, соответственно. Эти свойства могут быть желательными для интерактивной молекулярной модели, которая будет видеть регулярные манипуляции в лабораторных или классных условиях.
Представленные здесь модели учитывают эти соображения, хотя они во-первых разработаны для совместной работы, позволяющей развивать динамическую молекулярную модель. По умолчанию они успешно собираются в интерактивные молекулярные структуры. Они могут быть легко масштабируется до больших моделей, хотя сборка потребует большей силы, как соединение зубцы менее легко искажать на больший размер. При сокращении компонентов, 50% сокращение размера будет по-прежнему работать с незначительными изменениями, такими как сокращение модели атома углерода до 48’u201249% при сохранении связи и атома водорода на 50%, чтобы более жесткие связи между частями в НОАК печатает. Модели этого малого являются более тонкими и часто требуют плот структур для успешной печати, но они по-прежнему функциональны в качестве динамических молекулярных моделей.
Термопластикный материал и выбранные модели для печати являются двумя наиболее важными аспектами протокола 3D-печати. Выбранный термопластик будет диктовать температуру, спайку, аннулирование, и отделочные соображения и варианты. Если доступный 3D принтер не имеет подогревом кровати, НОАК является единственным из представленных термопластик выбор, который будет печатать части воспроизводимо. В то время как предоставленные части предназначены для воспроизведения с различными термопластиком и держать до динамических манипуляций, отпечатки будут деградировать с использованием и трещины, часто между слоями печати, при размещении под возрастающим стрессом. В таких ситуациях легко и относительно экономически эффективно печатать заменяющую часть.
Динамическая функциональность молекулярных сборок, напечатанных на основе предоставленных моделей, отличает эту работу от других доступных и 3D-печатных моделей, которые в первую очередь подчеркивают типы подключения и связи. Динамические аспекты представлены в малой части с структурой cyclohexane примера. Ландшафт конфигурации циклохексана непосредственно доступен вручную с помощью этих моделей, и топологии этих ландшафтов в целом согласны с вычислительными исследованиями. Многое из этого происходит от уважения к специфике молекулярной геометрии и степени свободы в этих физических компонентов моделирования. В комментарии Линуса Полинга об их успехе в открытии структуры «спираль1»они утверждали, что их современники сталкивались с трудностями, исходя из идеалистических интегральных предположений и принятия «… только грубое приближение к требованиям о межатомных расстояниях, углах связи и планальности конъюгированной амидной группы, как это дается нашими исследованиями более простых веществ». Более количественное понимание в этом направлении требует более конкретных деталей, чем соображения, взятые при построении этих типовых частей, но эти модели и рекомендации обеспечивают основу для общего интерактивного физического исследования молекулярных систем. Эти модели являются продолжением комплектов 3D-печати моделей, которые мы производим для научно-исследовательской и информационно-пропагандистской деятельности в течение нескольких лет до настоящего доклада, и дополнительные компоненты, совместимые с обеими этими моделями и описанным протоколом, доступны авторами для обеспечения более разнообразных механизмов склеивания и динамических действий.
The authors have nothing to disclose.
Эта работа была поддержана Национальным научным фондом (NSF) под ГрантОм No. ЧЕ-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. |