Fysisk modellering af mikroskopiske systemer hjælper med at opnå indsigt, der er vanskelige at opnå på andre måder. For at lette konstruktionen af fysiske molekylære modeller demonstrerer vi, hvordan 3D-print kan bruges til at samle funktionelle makroskopiske modeller, der fanger molekylære systemers kvaliteter på en taktil måde.
Med den stigende tilgængelighed af 3D-print, har der været en stigende anvendelse af og interesse i additiv fremstillingsprocesser i kemiske laboratorier og kemisk uddannelse. Med afbaseret på den lange og succesfulde historie af fysisk modellering af molekylære systemer, præsenterer vi udvalgte modeller sammen med en protokol for at lette 3D-print af molekylære strukturer, der er i stand til at gøre mere end repræsenterer form og tilslutningsmuligheder. Modeller samlet som beskrevet indarbejde dynamiske aspekter og frihedsgrader i mættede kulbrinte strukturer. Som et repræsentativt eksempel blev cyclohexan samlet fra dele trykt og færdig ved hjælp af forskellige termoplast, og de resulterende modeller bevarer deres funktionalitet på en række forskellige skalaer. De resulterende strukturer viser konfigurationspladstilgængelighed i overensstemmelse med beregninger og litteratur, og versioner af disse strukturer kan bruges som hjælpemidler til at illustrere begreber, der er vanskelige at formidle på andre måder. Denne øvelse gør os i stand til at evaluere vellykkede udskrivningsprotokoller, komme med praktiske anbefalinger til samling og skitsere designprincipper for fysisk modellering af molekylære systemer. De medfølgende strukturer, procedurer og resultater udgør et fundament for individuel fremstilling og udforskning af molekylær struktur og dynamik med 3D-print.
Molekylær struktur bygning har længe været et kritisk aspekt for opdagelse og validering af vores forståelse af formen af og interaktioner mellem molekyler. Fysisk modelbygning var et motiverende aspekt ved bestemmelsen af α-helixstruktur i proteiner ved Pauling et al.1, den primære clathrate hydrat struktureraf vand 2,3, og dobbelt-helix struktur AF DNA af Watson og Crick4. I James Watson’s offentliggjorte redegørelse for DNA-struktur, han beskriver mange af de kampe, der står i en sådan model bygning, såsom indpakning en kobbertråd omkring model kulstofatomer til at gøre fosfor atomer, usikkert sarte suspensioner af atomer, og gøre pap udskæringer af baser, mens du venter på tin udskæringer framaskinværkstedet 5. Sådanne kampe inden for modelbygning er i vid udstrækning blevet afhjulpet med beregningsmæssige modellering, der øger eller helt erstatter fysiske tilgange , selv om fysiske modeller fortsat er et væsentligt aspekt i forbindelse med kemisk uddannelse ogeksperimentering 6,7,8,9.
Siden omkring 2010 har 3D-print set en betydelig vækst i anvendelse som et værktøj til kreativt design og produktion. Denne vækst har været drevet af konkurrence og tilgængelighed af en række Fused-Deposition Modeling (FDM) printere fra en række nye virksomheder med fokus på bred kommercialisering af teknologien. Med den voksende tilgængelighed har der været en samtidig vækst i anvendelsen af disse teknologier inden for kemiuddannelse og eksperimentelle laboratorieindstillinger10,,11,12,13,14 , 1515,16,17,18,19,20,21.,, I løbet af denne periode har både kommercielle og åbne community-lagre til 3D-modeller, såsom NIH 3D Print Exchange22,gjort modelsystemer til 3D-udskrivning mere tilgængelige, selvom mange af disse modeller har tendens til at være centreret om specifikke målmolekyler og give enkle statiske strukturer med vægt på forbindelse til obligationer og type. Mere generelle atomare og molekylære grupper kan muliggøre mere kreativekonstruktioner 12,23, og der er behov for modeller, der kan muliggøre generel struktur skabelse med taktile, dynamisk, og kraft følsom feedback for molekylære strukturer.
Her præsenterer vi molekylære modelstrukturkomponenter, der let kan udskrives og samles til dynamiske molekylære modeller af mættede kulbrinter. Komponentstrukturerne er en del af et bredere kit, som vi har udviklet til udvidelses- og opsøgende aktiviteter for vores laboratorium og universitet. De medfølgende dele er udviklet til at kunne udskrives med en række polymerglødetrådtyper på fdm 3D-printere. Vi præsenterer modelresultater ved hjælp af forskellige polymerer og efterbehandling teknikker fra både enkelt og dobbelt ekstruder FDM printere. Disse komponenter er skalerbare, hvilket gør det muligt at fremstille modeller, der er velegnede til både personlig undersøgelse og demonstration i større forelæsningsindstillinger.
Hovedformålet med denne rapport er at hjælpe andre forskere og undervisere med at oversætte detaljer og viden om kemiske strukturer på mere fysiske måder med 3D-printning. Til dette formål fremhæver vi et eksempel ansøgning ved at samle og manipulere cyclohexan på forskellige skalaer. Overensstemmelser med ringsystemet med seks medlemmer er et centralt emne i introduktionskurserne for organisk kemi24, og disse konforme er en faktor i ring – og sukkerstrukturernes reaktivitet25,26,27. De trykte modeller anvender fleksibelt nøgleringens koneorer24, og den kraft, der er nødvendig for ringomkonverteringsveje, kan udforskes direkte og evalueres kvalitativt i hånden.
Det primære formål med denne undersøgelse er at rapportere en protokol for crafting af dynamiske molekylære modeller med råvare 3D-printere. Disse printere er i stigende grad tilgængelige, ofte endda gratis at bruge på biblioteker, skoler og andre steder. Kom godt i gang indebærer at træffe valg om både modeller til at udskrive og de materialer til at bruge og beslutte fra disse muligheder kan kræve en vis inspiration om, hvad kreative additiv fremstilling kan gøre for forskning og instruktion. For at løse disse problemer giver vi nogle praktiske materialeanbefalinger, foreslåede modeldele, en 3D-printprotokol og et eksempel på anvendelse, som hver især fortjener yderligere diskussion.
Der er mange valg af termoplast til brug i 3D-print. Vi fremhæver tre i den præsenterede protokol, da disse tre materialer i øjeblikket er de mest udbredte til gør-det-selv 3D-print. Valget kan afhænge af, hvilket materiale der understøttes af en tilgængelig 3D-printer, for eksempel mange åbne adgangsfaciliteter vil kun udskrive med PLA på grund af miljømæssige begrænsninger. PLA er et biologisk nedbrydeligt og komposterbart materiale, der har en udskrivningsprotokol med milde temperaturindstillinger. Både ABS og PETG er mindre miljøvenlige og kan generelt ikke genbruges, selv om PETG er baseret på meget genanvendeligt polyethylenterephthalat (PET) og i sidste ende kan se en bredere oparbejdning som PET. Bæredygtig trykning praksis ville indebære udskrivning få dele ad gangen for at sikre både udskriftskvalitet og print succes, dette samtidig med at bruge så lidt kasseret materiale (støtte strukturer, flåder, oser skjolde, osv.) som muligt. PLA kan være skør, så hvis de er tilgængelige, ABS og PETG termoplast kan resultere i udskrifter, der er mere mekanisk modstandsdygtige og har forbedret lag vedhæftning, henholdsvis. Disse egenskaber kunne være ønskeligt for en interaktiv molekylær model, der vil se regelmæssig manipulation i et laboratorium eller klasseværelse indstilling.
De modeller, der præsenteres her tage hensyn til disse overvejelser, selv om de først er konstrueret til at arbejde sammen om at muliggøre dynamisk molekylær model konstruktion. På standardskalaen samles de med succes i interaktive molekylære strukturer. De kan let skaleres op til store modeller, selvom samling vil kræve mere kraft, da tilslutningsstrænene er mindre nemme at forvrænge ved større størrelse. I faldende komponenter, en 50% reduktion i størrelse vil stadig arbejde med mindre ændringer, såsom faldende kulstofatom model til 48 \ u201249% og samtidig holde obligation og brint atom på 50% for at muliggøre strammere forbindelser mellem dele i PLA prints. Modeller denne lille er mere delikat og kræver ofte tømmerflåde strukturer til succes udskrive, men de er stadig funktionelle som dynamiske molekylære modeller.
Det termoplastiske materiale og udvalgte modeller til udskrivning er de to mest kritiske aspekter af en 3D-printprotokol. Den valgte termoplast vil diktere temperatur, vedhæftning, glødning, og efterbehandling overvejelser og muligheder. Hvis den tilgængelige 3D-printer ikke har en opvarmet seng, er PLA den eneste af de præsenterede termoplastiske valg, der vil udskrive dele reproducerbare. Mens de medfølgende dele er designet til reproducerbart print med forskellige termoplast og holde op til dynamisk manipulation, udskrifter vil nedbrydes med brug og knæk, ofte mellem print lag, når de placeres under stigende stress. I sådanne situationer er det nemt og relativt omkostningseffektivt at udskrive en erstatningsdel.
Den dynamiske funktionalitet af molekylære samlinger, der udskrives fra de medfølgende modeller, adskiller dette arbejde fra andre tilgængelige modeller og 3D-printbare modeller, der primært fremhæver forbindelses- og bindingstyper. De dynamiske aspekter præsenteres i en lille del med eksemplet cyclohexan struktur. Konfigurationslandskabet af cyclohexan er direkte tilgængeligt i hånden ved hjælp af disse modeller, og topologierne i disse landskaber er generelt enige i beregningsmæssige undersøgelser. Meget af dette kommer fra en respekt for detaljerne i molekylær geometri og frihedsgrader i disse fysiske modellering komponenter. I Linus Paulings kommentar til deres succes med at opdage strukturen i α-helix1hævdede de, at deres samtidige havde problemer med at komme fra idealistiske integrerede antagelser og vedtog “… kun en grov tilnærmelse til kravene om interatomare afstande, bindingsvinkler og planaritet i den konjugerede amidgruppe, som det gives ved vores undersøgelser af enklere stoffer.” Mere kvantitativ indsigt i denne retning kræver mere specifikke detaljer end de overvejelser, der tages i opbygningen af disse modeldele, men disse modeller og anbefalinger giver et grundlag for generel interaktiv fysisk undersøgelse af molekylære systemer. Disse modeller er en udvidelse af 3D printbare modelkits vi har produceret til forskning og opsøgende aktiviteter i flere år forud for denne rapport, og yderligere komponenter, der er kompatible med både disse modeller og den beskrevne protokol er tilgængelige fra forfatterne til at muliggøre mere forskelligartede bonding arrangementer og dynamisk handling.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af National Science Foundation (NSF) under Tilskud nr. 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. |