A modelagem física de sistemas microscópicos ajuda a obter insights difíceis de obter por outros meios. Para facilitar a construção de modelos moleculares físicos, demonstramos como a impressão 3D pode ser usada para montar modelos macroscópicos funcionais que capturam qualidades de sistemas moleculares de forma tátil.
Com o crescimento da acessibilidade da impressão 3D, tem havido uma crescente aplicação e interesse em processos de fabricação aditiva em laboratórios químicos e educação química. Com base na longa e bem sucedida história da modelagem física de sistemas moleculares, apresentamos modelos selecionados, juntamente com um protocolo para facilitar a impressão 3D de estruturas moleculares que são capazes de fazer mais do que representam forma e conectividade. Os modelos montados como descritos incorporam aspectos dinâmicos e graus de liberdade em estruturas de hidrocarbonetos saturados. Como exemplo representativo, o ciclohexano foi montado a partir de peças impressas e terminadas usando diferentes termoplásticos, e os modelos resultantes mantêm sua funcionalidade em uma variedade de escalas. As estruturas resultantes mostram acessibilidade de espaço configuracional consistente com cálculos e literatura, e versões dessas estruturas podem ser usadas como auxílios para ilustrar conceitos difíceis de transmitir de outras formas. Este exercício nos permite avaliar protocolos de impressão bem-sucedidos, fazer recomendações práticas para montagem e traçar princípios de design para modelagem física de sistemas moleculares. As estruturas, procedimentos e resultados fornecidos fornecem uma base para a fabricação individual e exploração de estrutura molecular e dinâmica com impressão 3D.
A construção de estruturas moleculares tem sido um aspecto crítico para a descoberta e validação de nossa compreensão da forma e das interações entre as moléculas. A construção do modelo físico foi um aspecto motivador na determinação da estrutura α-héliceem proteínas por Pauling et al.1, as estruturas hidratos do clatrato primário de água2,,3, e a estrutura de dupla hélice do DNA por Watson e Crick4. No relato publicado por James Watson sobre a estrutura do DNA, ele detalha muitas das lutas enfrentadas em tal construção modelo, como embrulhar um fio de cobre em torno de átomos de carbono modelo para fazer átomos de fósforo, suspensões precariamente delicadas de átomos, e fazer recortes de papelão de bases enquanto espera em recortes de lata da loja de máquinas5. Tais lutas na construção de modelos têm sido em grande parte remediadas com modelagem computacional aumentando ou suplantando totalmente abordagens físicas, embora os modelos físicos permaneçam um aspecto essencial na educação química e experimentação6,,7,,8,9.
Desde cerca de 2010, a impressão 3D tem visto um crescimento significativo na adoção como uma ferramenta para design criativo e fabricação. Esse crescimento tem sido impulsionado pela concorrência e disponibilidade de uma variedade de impressoras FDM (Fused-Deposition Modeling, modelagem de deposição fundida) de uma série de novas empresas focadas na ampla comercialização da tecnologia. Com a crescente acessibilidade, houve um crescimento simultâneo na aplicação dessas tecnologias na educação química e nas configurações laboratoriais experimentais10,,11,,12,,13,,14,,15,,16,,17,,18,,19,,20,,21. Durante esse período, tanto repositórios comerciais quanto comunitários abertos para modelos 3D, como o NIH 3D Print Exchange22,tornaram os sistemas de modelos para impressão 3D mais acessíveis, embora muitos desses modelos tendem a ser centrados em moléculas-alvo específicas e fornecem estruturas estáticas simples com ênfase na conectividade e tipo de vínculo. Grupos atômicos e moleculares mais gerais podem permitir construções mais criativas12,,23, e há necessidade de modelos que possam permitir a criação de estruturas gerais com feedback tátil, dinâmico e sensível para estruturas moleculares.
Aqui, apresentamos componentes da estrutura do modelo molecular que podem ser prontamente impressos e montados para formar modelos moleculares dinâmicos de hidrocarbonetos saturados. As estruturas componentes fazem parte de um kit mais amplo que desenvolvemos para atividades de extensão e extensão para nosso laboratório e universidade. As peças fornecidas foram projetadas para serem imprimíveis com uma variedade de tipos de filamento de polímeros em impressoras FDM 3D de commodities. Apresentamos resultados de modelos utilizando diferentes polímeros e técnicas de acabamento de impressoras FDM de extrusora única e dupla. Esses componentes são escaláveis, permitindo a fabricação de modelos adequados tanto para investigação pessoal quanto para demonstração em ambientes de palestras maiores.
O objetivo principal deste relatório é auxiliar outros pesquisadores e educadores na tradução de detalhes e conhecimentos da estrutura química de forma mais física com impressão 3D. Para isso, destacamos uma aplicação de exemplo montando e manipulando ciclohexano em diferentes escalas. As conformações do sistema de anel de seis membros são um tema central nos cursos introdutórios de Química Orgânica24, e esses conformadores são um fator na reatividade das estruturas de anéis e açúcar25,,26,,27. Os modelos impressos adotam de forma flexível os conformadores do chaveiro24, e a força necessária para as vias de interconversão do anel pode ser diretamente explorada e avaliada qualitativamente manualmente.
O objetivo principal deste estudo é relatar um protocolo para a elaboração de modelos moleculares dinâmicos com impressoras 3D de commodities. Essas impressoras são cada vez mais acessíveis, muitas vezes até mesmo gratuitas para usar em bibliotecas, escolas e outros locais. Começar envolve fazer escolhas sobre os modelos para imprimir e os materiais para usar e decidir a partir dessas opções pode exigir alguma inspiração sobre o que a fabricação de aditivos criativos pode fazer para pesquisa e instrução. Para resolver essas questões, fornecemos algumas recomendações práticas de material, peças de modelo sugeridas, um protocolo de impressão 3D e um aplicativo de exemplo, cada um dos quais justificam uma discussão adicional.
Existem muitas opções de termoplástico para uso na impressão 3D. Destacamos três no protocolo apresentado, pois esses três materiais são atualmente os mais amplamente disponíveis para impressão 3D do “faça você mesmo”. A escolha pode depender de qual material é suportado por uma impressora 3D disponível, por exemplo, muitas instalações de acesso aberto só serão impressas com PLA devido a restrições ambientais. PLA é um material biodegradável e compostável que possui um protocolo de impressão com ajustes de temperatura amenas. Tanto o ABS quanto o PETG são menos ecológicos e geralmente não recicláveis, embora o PETG seja baseado em tereftalato de polietileno altamente reciclável (PET) e pode eventualmente ver um reprocessamento mais amplo como o PET. Práticas de impressão sustentáveis envolveriam a impressão de poucas peças ao mesmo tempo para garantir tanto a qualidade da impressão quanto o sucesso da impressão, isto ao usar o mínimo de material descartado (estruturas de suporte, balsas, escudos ooze, etc.) o mais possível. O PLA pode ser frágil, portanto, se disponíveis, os termoplásticos ABS e PETG podem resultar em impressões mais mecanicamente resistentes e ter melhor adesão de camadas, respectivamente. Essas propriedades podem ser desejáveis para um modelo molecular interativo que verá manipulação regular em um ambiente de laboratório ou sala de aula.
Os modelos aqui apresentados levam essas considerações em consideração, embora sejam, em primeiro lugar, projetados para trabalhar em conjunto para permitir a construção dinâmica de modelos moleculares. Na escala padrão, eles se reunirão com sucesso em estruturas moleculares interativas. Eles podem ser prontamente dimensionados para modelos grandes, embora a montagem exigirá mais força, pois os pinos de conexão são menos fáceis de distorcer em tamanhos maiores. Ao encolher os componentes, uma redução de 50% no tamanho ainda funcionará com pequenas modificações, como reduzir o modelo de átomo de carbono para 48\u201249% mantendo a ligação e o átomo de hidrogênio em 50% para permitir conexões mais apertadas entre as peças nas impressões PLA. Modelos deste pequeno são mais delicados e muitas vezes requerem estruturas de jangada para imprimir com sucesso, mas ainda são funcionais como modelos moleculares dinâmicos.
O material termoplástico e os modelos escolhidos para imprimir são os dois aspectos mais críticos de um protocolo de impressão 3D. O termoplástico escolhido ditará a temperatura, a adesão, o ressarem e as considerações e as opções de acabamento. Se a impressora 3D disponível não tiver uma cama aquecida, o PLA é a única das opções termoplásticas apresentadas que imprimirá as peças de forma reprodutificada. Enquanto as peças fornecidas são projetadas para imprimir reproduzivelmente com diferentes termoplásticos e segurar a manipulação dinâmica, as impressões se degradarão com o uso e a rachadura, muitas vezes entre camadas de impressão, quando colocadas sob crescente estresse. Em tais situações, é fácil e relativamente econômico imprimir uma peça de substituição.
A funcionalidade dinâmica dos conjuntos moleculares impressos a partir dos modelos fornecidos diferencia este trabalho de outros modelos imprimíveis e 3D disponíveis que destacam principalmente os tipos de conectividade e ligação. Os aspectos dinâmicos são apresentados em pequena parte com o exemplo de estrutura ciclohexana. A paisagem de configuração do ciclohexano é diretamente acessível manualmente usando esses modelos, e as topologias dessas paisagens estão em geral de acordo com as investigações computacionais. Muito disso vem do respeito às especificidades da geometria molecular e aos graus de liberdade nesses componentes de modelagem física. No comentário de Linus Pauling sobre seu sucesso em descobrir a estrutura do α-hélice1,eles alegaram que seus contemporâneos enfrentaram dificuldades provenientes de suposições ideais integrais e adotando “… apenas uma aproximação aproximada aos requisitos sobre distâncias interatômicas, ângulos de vínculo e planaridade do grupo de amida conjugado, conforme dado por nossas investigações de substâncias mais simples.” Uma visão mais quantitativa nesse sentido requer mais detalhes específicos do que as considerações tomadas na construção dessas peças modelo, mas esses modelos e recomendações fornecem uma base para uma investigação física interativa geral de sistemas moleculares. Esses modelos são uma extensão dos kits de modelos imprimíveis em 3D que temos produzido para atividades de pesquisa e divulgação há vários anos antes deste relatório, e peças componentes adicionais compatíveis com esses modelos e o protocolo descrito estão disponíveis dos autores para permitir arranjos de ligação mais diversos e ações dinâmicas.
The authors have nothing to disclose.
Este trabalho foi apoiado pela National Science Foundation (NSF) sob o 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. |