La modellazione fisica dei sistemi microscopici aiuta a ottenere informazioni difficili da ottenere con altri mezzi. Per facilitare la costruzione di modelli molecolari fisici, dimostriamo come la stampa 3D possa essere utilizzata per assemblare modelli macroscopici funzionali che catturano le qualità dei sistemi molecolari in modo tattile.
Con la crescita dell’accessibilità della stampa 3D, c’è stata una crescente applicazione e interesse nei processi di produzione additiva nei laboratori chimici e nell’educazione chimica. Sulla base della lunga e di successo storia della modellazione fisica dei sistemi molecolari, presentiamo modelli selezionati insieme a un protocollo per facilitare la stampa 3D di strutture molecolari che sono in grado di fare di più che rappresentare forma e connettività. I modelli assemblati come descritto incorporano aspetti dinamici e gradi di libertà in strutture sature di idrocarburi. Come esempio rappresentativo, cyclohexane è stato assemblato da parti stampate e rifinite utilizzando diverse termoplastiche, e i modelli risultanti mantengono la loro funzionalità su una varietà di scale. Le strutture risultanti mostrano l’accessibilità dello spazio di configurazione coerente con i calcoli e la letteratura, e le versioni di queste strutture possono essere utilizzate come aiuti per illustrare concetti difficili da trasmettere in altri modi. Questo esercizio ci permette di valutare protocolli di stampa di successo, formulare raccomandazioni pratiche per l’assemblaggio e delineare i principi di progettazione per la modellazione fisica dei sistemi molecolari. Le strutture, le procedure e i risultati forniti forniscono una base per la produzione individuale e l’esplorazione della struttura molecolare e delle dinamiche con la stampa 3D.
La costruzione della struttura molecolare è stata a lungo un aspetto critico per la scoperta e la convalida della nostra comprensione della forma e delle interazioni tra le molecole. La costruzione del modello fisico è stato αun aspetto motivante nella determinazione della struttura z-elica nelle proteine di Pauling et al.1, le strutture idratate principali di clatrato di acqua2,3, e la struttura a doppia elica del DNA da Watson e Crick4. Nel resoconto pubblicato da James Watson della struttura del DNA, descrive molte delle lotte affrontate in tale costruzione di modelli, come avvolgere un filo di rame intorno agli atomi di carbonio modello per fare atomi di fosforo, sospensioni precariamente delicate degli atomi, e fare ritagli di cartone di basi durante l’attesa su ritagli di latta dal negozio di macchine5 . Tali lotte nella costruzione di modelli sono state in gran parte rismerate con la modellazione computazionale che aumenta o soppianta interamente gli approcci fisici, anche se i modelli fisici rimangono un aspetto essenziale nell’educazione chimica e nella sperimentazione6,7,8,9.
Dal 2010 circa, la stampa 3D ha visto una crescita significativa nell’adozione come strumento per la progettazione creativa e la produzione. Questa crescita è stata guidata dalla concorrenza e dalla disponibilità di una varietà di stampanti Fused-Deposition Modeling (FDM) da una serie di nuove aziende focalizzate sull’ampia commercializzazione della tecnologia. Con la crescente accessibilità, c’è stata una crescita simultanea nell’applicazione di queste tecnologie nell’educazione chimica e nelle impostazioni di laboratorio sperimentale10,11 ,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Durante questo periodo, sia i repository della comunità commerciale che aperti per i modelli 3D, come il NIH 3D Print Exchange22,hanno reso i sistemi modello per la stampa 3D più accessibili, anche se molti di questi modelli tendono ad essere centrati su specifiche molecole bersaglio e forniscono semplici strutture statiche con un’enfasi sulla connettività e sul tipo di legame. Gruppi atomici e molecolari più generali possono consentire costruzioni più creative12,23, e c’è la necessità di modelli che possono consentire la creazione di strutture generali con feedback tattili, dinamici e di forza sensibili per le strutture molecolari.
Qui presentiamo componenti della struttura molecolare che possono essere facilmente stampati e assemblati per formare modelli molecolari dinamici di idrocarburi saturi. Le strutture dei componenti fanno parte di un kit più ampio che abbiamo sviluppato per attività di ampliamento e sensibilizzazione per il nostro laboratorio e università. Le parti fornite sono state progettate per essere stampabili con una varietà di tipi di filamento polimerico sulle stampanti 3D FDM di materie prime. Presentiamo i risultati del modello utilizzando diversi polimeri e tecniche di finitura da stampanti FDM sia a singolo che a doppio estrusore. Questi componenti sono scalabili e consentono la produzione di modelli adatti sia per l’indagine personale che per la dimostrazione in ambienti di lezione più ampi.
L’obiettivo principale di questa relazione è quello di aiutare altri ricercatori ed educatori nella traduzione dei dettagli e delle conoscenze della struttura chimica in modi più fisici con la stampa 3D. A tal fine, evidenziamo un’applicazione di esempio assemblando e manipolando cyclohexane su scale diverse. Le conformazioni del sistema ad anello a sei membri sono un argomento fondamentale nei corsi introduttivi di Chimica Organica24,e questi conformatori sono un fattore nella reattività delle strutture ad anello e zucchero25,26,27. I modelli stampati adottano in modo flessibile i conformatori dell’anello chiave24, e la forza necessaria per i percorsi di interconversione ad anello può essere esplorata direttamente e valutata qualitativamente a mano.
L’obiettivo principale di questo studio è quello di segnalare un protocollo per la creazione di modelli molecolari dinamici con stampanti 3D a commodity. Queste stampanti sono sempre più accessibili, spesso anche libere di essere utilizzate in biblioteche, scuole e altri luoghi. Iniziare comporta la scelta sia dei modelli da stampare che dei materiali da utilizzare e decidere da queste opzioni può richiedere qualche ispirazione per quanto riguarda ciò che la produzione additiva creativa può fare per la ricerca e l’istruzione. Per affrontare questi problemi, forniamo alcune raccomandazioni pratiche di materiale, parti del modello suggerite, un protocollo di stampa 3D e un’applicazione di esempio, ognuna delle quali richiede ulteriori discussioni.
Ci sono molte scelte di termoplastica per l’uso nella stampa 3D. Ne evidenziamo tre nel protocollo presentato in quanto questi tre materiali sono attualmente i più ampiamente disponibili per la stampa 3D fai-da-te. La scelta può dipendere dal materiale supportato da una stampante 3D disponibile, ad esempio molte strutture ad accesso aperto stamperanno solo con PLA a causa dei vincoli ambientali. PLA è un materiale biodegradabile e compostabile che ha un protocollo di stampa con impostazioni di temperatura mite. Sia abS che PETG sono meno ecologici e non generalmente riciclabili, anche se PETG si basa su terephthalate in polietilene altamente riciclabile (PET) e potrebbe infine vedere un ritrattamento più ampio della diffusione come il PET. Pratiche di stampa sostenibili comporterebbero la stampa di poche parti alla volta per garantire sia la qualità di stampa che il successo di stampa, pur utilizzando il minor numero possibile di materiali scartati (strutture di supporto, zattere, scudi trasudanti, ecc.). PLA può essere fragile, quindi se disponibile, ABS e PETG termoplastiche possono provocare stampe che sono più resilienti meccanicamente e hanno migliorato l’adesione dello strato, rispettivamente. Queste proprietà potrebbero essere desiderabili per un modello molecolare interattivo che vedrà una manipolazione regolare in un ambiente di laboratorio o in classe.
I modelli qui presentati tengono conto di queste considerazioni, anche se sono in primo luogo progettati per lavorare insieme per consentire la costruzione dinamica del modello molecolare. Sulla scala predefinita, si riuniranno con successo in strutture molecolari interattive. Possono essere facilmente scalati fino a modelli grandi, anche se l’assieme richiederà più forza in quanto le punte di connessione sono meno facili da distorcere a dimensioni maggiori. Riducendo i componenti, una riduzione del 50% delle dimensioni continuerà a funzionare con piccole modifiche, come la riduzione del modello di atomo di carbonio al 48,u201249%, mantenendo l’atomo di legame e idrogeno al 50% per consentire connessioni più strette tra le parti nelle stampe PLA. I modelli così piccoli sono più delicati e spesso richiedono strutture di zattera per stampare con successo, ma sono ancora funzionali come modelli molecolari dinamici.
Il materiale termoplastico e i modelli scelti per la stampa sono i due aspetti più critici di un protocollo di stampa 3D. La termoplastica scelta determinerà la temperatura, l’adesione, l’analing e le considerazioni e le opzioni di finitura. Se la stampante 3D disponibile non dispone di un letto riscaldato, PLA è l’unica delle scelte termoplastiche presentate che stamperà le parti riproducibilmente. Mentre le parti fornite sono progettate per stampare in modo riproducibile con diverse termoplastiche e resistere alla manipolazione dinamica, le stampe si degradano con l’uso e la crepa, spesso tra gli strati di stampa, quando poste sotto stress crescente. In tali situazioni, è facile e relativamente conveniente stampare un pezzo di ricambio.
La funzionalità dinamica degli assiemi molecolari stampati dai modelli forniti differenzia questo lavoro da altri modelli stampabili disponibili e 3D che evidenziano principalmente la connettività e i tipi di incollaggio. Gli aspetti dinamici sono presentati in piccola parte con l’esempio struttura cyclohexane. Il panorama di configurazione del cicloista è direttamente accessibile a mano utilizzando questi modelli e le topologie di questi paesaggi sono in generale in accordo con le indagini computazionali. Gran parte di questo deriva dal rispetto per le specifiche della geometria molecolare e dei gradi di libertà in questi componenti di modellazione fisica. Nel commento di Linus Pauling sul loro successo nello scoprire la struttura dell’elicoidale1, hanno affermato che i loro contemporanei affrontavano difficoltà provenienti da presupposti integrali idealisti e adottando “… α solo un’approssimazione approssimativa dei requisiti relativi alle distanze interatomiche, agli angoli di legame e alla planarità del gruppo coniugato amide, come dato dalle nostre indagini sulle sostanze più semplici.” Una maggiore comprensione quantitativa in questo campo richiede dettagli più specifici rispetto alle considerazioni prese nella costruzione di queste parti del modello, ma questi modelli e raccomandazioni forniscono una base per l’analisi fisica interattiva generale dei sistemi molecolari. Questi modelli sono un’estensione dei kit di modelli stampabili in 3D che produciamo da diversi anni per attività di ricerca e sensibilizzazione, e ulteriori componenti compatibili sia con questi modelli che con il protocollo descritto sono disponibili dagli autori per consentire disposizioni di incollaggio più diverse e azioni dinamiche.
The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation (NSF) sotto Grant No. CHE-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. |