Fysisk modellering av mikroskopiska system hjälper till att få insikter som är svåra att vinna på andra sätt. För att underlätta konstruktionen av fysiska molekylära modeller visar vi hur 3D-utskrift kan användas för att montera funktionella makroskopiska modeller som fångar egenskaper hos molekylära system på ett taktilt sätt.
Med den ökade tillgängligheten för 3D-utskrift har det skett en växande tillämpning av och intresse för additiv tillverkningsprocesser i kemiska laboratorier och kemisk utbildning. Med utgångspunkt i den långa och framgångsrika historien om fysisk modellering av molekylära system presenterar vi utvalda modeller tillsammans med ett protokoll för att underlätta 3D-utskrift av molekylära strukturer som kan göra mer än att representera form och konnektivitet. Modeller som monteras enligt beskrivningen innehåller dynamiska aspekter och frihetsgrader i mättade kolvätestrukturer. Som ett representativt exempel monterades cyclohexan från delar som trycktes och färdigställdes med hjälp av olika termoplaster, och de resulterande modellerna behåller sin funktionalitet på en mängd olika skalor. De resulterande strukturerna visar konfigurationsutrymmestillgänglighet som överensstämmer med beräkningar och litteratur, och versioner av dessa strukturer kan användas som hjälpmedel för att illustrera begrepp som är svåra att förmedla på andra sätt. Denna övning gör det möjligt för oss att utvärdera framgångsrika utskriftsprotokoll, göra praktiska rekommendationer för montering och beskriva designprinciper för fysisk modellering av molekylära system. De tillförde strukturerna, rutinerna och resultaten utgör en grund för individuell tillverkning och utforskning av molekylär struktur och dynamik med 3D-utskrift.
Molekylär strukturbyggnad har länge varit en kritisk aspekt för upptäckt och validering av vår förståelse av formen och interaktionen mellan molekyler. Fysisk modell byggnad var en motiverande aspekt i bestämningen av α-helixstruktur i proteiner av Pauling et al.1, den primära klathrate hydrat strukturer av vatten2,3, och dubbel-helix struktur AV DNA av Watson och Crick4. I James Watsons publicerade redogörelse för DNA-strukturen, han detaljer många av de kamper som möter i en sådan modell byggnad, såsom inslagning en koppartråd runt modell kolatomer för att göra fosforatomer, betänkligt känsliga suspensioner av atomer, och göra kartong utskärningar av baser medan du väntar på tenn utskärningar från verkstaden5. Sådana kamper i modellbyggnad har till stor del avhjälpts med beräkningsmodellering utöka eller helt ersätta fysiska metoder, även om fysiska modeller är fortfarande en viktig aspekt i kemisk utbildning och experiment6,7,8,9.
Sedan omkring 2010 har 3D-utskrift sett en betydande ökning av antagandet som ett verktyg för kreativ design och tillverkning. Denna tillväxt har drivits av konkurrens och tillgång till en mängd olika Fused-Deposition Modeling (FDM) skrivare från en rad nya företag med fokus på bred kommersialisering av tekniken. Med den ökande tillgängligheten har det skett en samtidig ökning av tillämpningen av dessa tekniker inom kemiutbildning och experimentella laboratoriemiljöer10,,11,,12,,13,14,15,16,17,18,19,,20,,21. Under denna tidsperiod har både kommersiella och öppna community-databaser för 3D-modeller, till exempel NIH 3D Print Exchange22,gjort modellsystem för 3D-utskrift mer tillgängliga, även om många av dessa modeller tenderar att vara centrerade på specifika målmolekyler och ger enkla statiska strukturer med betoning på bindningsanslutning och typ. Mer allmänna atom- och molekylära grupper kan möjliggöra mer kreativa konstruktioner12,23, och det finns ett behov av modeller som kan möjliggöra allmän strukturskapande med taktil, dynamisk och kraftkänslig återkoppling för molekylära strukturer.
Här presenterar vi molekylära modellstrukturkomponenter som lätt kan tryckas och monteras för att bilda dynamiska molekylära modeller av mättade kolväten. Komponentstrukturerna är en del av ett bredare kit som vi har utvecklat för utbyggnad och uppsökande verksamhet för vårt laboratorium och universitet. De medföljande delarna har konstruerats för att vara utskrivbara med en mängd olika polymerglödtyper på råvaror FDM 3D-skrivare. Vi presenterar modellresultat med hjälp av olika polymerer och efterbehandlingstekniker från både enkla och dubbla extruder FDM-skrivare. Dessa komponenter är skalbara, vilket möjliggör modelltillverkning lämplig för både personlig undersökning och demonstration i större föreläsningsinställningar.
Det främsta syftet med denna rapport är att hjälpa andra forskare och lärare att översätta kemiska strukturdetaljer och kunskaper på mer fysiska sätt med 3D-utskrift. För detta ändamål belyser vi ett exempel program genom montering och manipulera cyclohexane i olika skalor. Sex-medlem ring system konformationer är ett centralt ämne i inledande organisk kemi kurser24, och dessa konformatorer är en faktor i reaktiviteten hos ring-och sockerstrukturer25,26,27. De tryckta modellerna använder sig flexibelt av nyckelringens konformatorer24, och den kraft som behövs för ringinterkonversionsvägar kan utforskas direkt och kvalitativt utvärderas för hand.
Det primära syftet med denna studie är att rapportera ett protokoll för tillverkning av dynamiska molekylära modeller med råvara 3D-skrivare. Dessa skrivare blir allt mer tillgängliga, ofta till och med gratis att använda på bibliotek, skolor och andra platser. Komma igång innebär att göra val om både modeller att skriva ut och material att använda och besluta från dessa alternativ kan kräva viss inspiration om vad kreativ additiv tillverkning kan göra för forskning och undervisning. För att lösa dessa problem ger vi några praktiska materialrekommendationer, föreslagna modelldelar, ett 3D-utskriftsprotokoll och ett exempelprogram, som var och en motiverar ytterligare diskussion.
Det finns många val av termoplast för användning i 3D-utskrift. Vi lyfter fram tre i det presenterade protokollet eftersom dessa tre material för närvarande är de mest tillgängliga för gör-det-själv 3D-utskrift. Valet kan bero på vilket material som stöds av en tillgänglig 3D-skrivare, till exempel många öppna anläggningar kommer bara att skriva ut med PLA på grund av miljöbegränsningar. PLA är ett biologiskt nedbrytbart och komposterbart material som har ett utskriftsprotokoll med milda temperaturinställningar. Både ABS och PETG är mindre miljövänliga och i allmänhet inte återvinningsbara, men PETG är baserad på mycket återvinningsbar polyetentereftalat (PET) och kan så småningom se bredare spridning upparbetning som PET. Hållbara tryckmetoder skulle innebära utskrift några delar i taget för att säkerställa både utskriftskvalitet och print framgång, detta samtidigt som man använder så lite kasserat material (stöd strukturer, flottar, sippra sköldar, etc.) som möjligt. PLA kan vara sprött, så om tillgängligt kan ABS och PETG termoplaster resultera i utskrifter som är mer mekaniskt motståndskraftiga och har förbättrad lagervidhäftning, respektive. Dessa egenskaper kan vara önskvärt för en interaktiv molekylär modell som kommer att se regelbunden manipulation i ett laboratorium eller klassrum inställning.
De modeller som presenteras här tar hänsyn till dessa överväganden, även om de först är konstruerade för att arbeta tillsammans för att möjliggöra dynamisk molekylär modellkonstruktion. På standardskalan samlas de framgångsrikt i interaktiva molekylära strukturer. De kan lätt skalas upp till stora modeller, men monteringen kommer att kräva mer kraft eftersom anslutningsstiften är mindre lätta att förvränga i större storlek. I krympande komponenter, en 50% minskning av storleken kommer fortfarande att arbeta med mindre ändringar, såsom krymper kolatom modellen till 48\u201249% samtidigt som bindning och väteatom på 50% för att möjliggöra snävare anslutningar mellan delar i PLA utskrifter. Modeller så här små är känsligare och kräver ofta flottstrukturer för att framgångsrikt skriva ut, men de är fortfarande funktionella som dynamiska molekylära modeller.
Det termoplastiska materialet och de valda modellerna att skriva ut är de två mest kritiska aspekterna av ett 3D-utskriftsprotokoll. Den valda termoplasten dikterar temperatur, vidhäftning, glödgning och efterbehandling överväganden och alternativ. Om den tillgängliga 3D-skrivaren inte har en uppvärmd säng är PLA det enda av de presenterade termoplastiska valen som kommer att skriva ut delar reproducerbart. Medan de medföljande delarna är utformade för att reproducerbart skriva ut med olika termoplaster och hålla upp till dynamisk manipulation, kommer utskrifter försämras med användning och spricka, ofta mellan utskriftslager, när de placeras under ökande stress. I sådana situationer är det enkelt och relativt kostnadseffektivt att skriva ut en reservdel.
Den dynamiska funktionaliteten hos molekylära sammansättningar som skrivs ut från de medföljande modellerna skiljer detta arbete från andra tillgängliga och 3D-utskrivbara modeller som främst framhäver anslutnings- och bindningstyper. De dynamiska aspekterna presenteras i liten del med exemplet cyclohexane struktur. Konfigurationen landskap av cyclohexane är direkt tillgänglig för hand med hjälp av dessa modeller, och topologier av dessa landskap är i allmänhet överens med beräkningsundersökningar. Mycket av detta kommer från en respekt för detaljerna i molekylär geometri och frihetsgrader i dessa fysiska modellering komponenter. I Linus Pauling kommentar om deras framgång i att upptäcka strukturen på α-helix1, hävdade de att deras samtida inför svårigheter som kommer från idealistiska integrerade antaganden och anta “… endast en grov approximation av kraven på interatomära avstånd, bindningsvinklar och planaritet hos den konjugerade amidgruppen, vilket framgår av våra undersökningar av enklare ämnen.” Mer kvantitativ insikt i dessa linjer kräver mer specifika detaljer än de överväganden som tas för att bygga dessa modelldelar, men dessa modeller och rekommendationer utgör en grund för allmän interaktiv fysisk undersökning av molekylära system. Dessa modeller är en förlängning av 3D utskrivbara modell kit vi har producerat för forskning och uppsökande verksamhet under flera år före denna rapport, och ytterligare komponenter som är kompatibla med båda dessa modeller och det beskrivna protokollet finns tillgängliga från författarna för att möjliggöra mer varierande bindning arrangemang och dynamisk åtgärd.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av National Science Foundation (NSF) under 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. |