Die physikalische Modellierung mikroskopischer Systeme hilft dabei, Erkenntnisse zu gewinnen, die auf andere Weise nur schwer zu gewinnen sind. Um den Aufbau physikalischer molekularer Modelle zu erleichtern, zeigen wir, wie 3D-Druck verwendet werden kann, um funktionale makroskopische Modelle zusammenzustellen, die Qualitäten molekularer Systeme auf taktile Weise erfassen.
Mit der zunehmenden Zugänglichkeit des 3D-Drucks wächst die Anwendung und das Interesse an additiven Fertigungsprozessen in chemischen Laboratorien und der chemischen Ausbildung. Aufbauend auf der langen und erfolgreichen Geschichte der physikalischen Modellierung molekularer Systeme präsentieren wir ausgewählte Modelle zusammen mit einem Protokoll, um den 3D-Druck molekularer Strukturen zu erleichtern, die mehr können als Form und Konnektivität darstellen. Die beschriebenen Modelle integrieren dynamische Aspekte und Freiheitsgrade in gesättigte Kohlenwasserstoffstrukturen. Als repräsentatives Beispiel wurde Cyclohexan aus Teilen zusammengesetzt, die mit verschiedenen Thermoplasten bedruckt und veredelt wurden, und die resultierenden Modelle behalten ihre Funktionalität in einer Vielzahl von Maßstäben. Die resultierenden Strukturen zeigen konfigurationsbezogene Raumzugänglichkeit, die mit Berechnungen und Literatur konsistent ist, und Versionen dieser Strukturen können als Hilfsmittel verwendet werden, um Konzepte zu veranschaulichen, die auf andere Weise schwer zu vermitteln sind. Diese Übung ermöglicht es uns, erfolgreiche Druckprotokolle auszuwerten, praktische Empfehlungen für die Montage abzugeben und Konstruktionsprinzipien für die physikalische Modellierung molekularer Systeme zu skizzieren. Die bereitgestellten Strukturen, Verfahren und Ergebnisse bilden eine Grundlage für die individuelle Herstellung und Erforschung molekularer Struktur und Dynamik mit 3D-Druck.
Der Aufbau molekularer Strukturen ist seit langem ein kritischer Aspekt für die Entdeckung und Validierung unseres Verständnisses der Form und der Wechselwirkungen zwischen Molekülen. Der physikalische Modellbau war ein motivierender Aspekt bei der Bestimmung der -helix-Struktur in Proteinen durch Pauling et al.1, die primären Clathratehydratstrukturen von Wasser2,3, und die Doppelhelixstruktur der DNA von Watson und Crick4. α In James Watsons veröffentlichtem Bericht über die DNA-Struktur beschreibt er viele der Kämpfe, die in einem solchen Modellbau zu kämpfen haben, wie das Umwickeln eines Kupferdrahtes um Modellkohlenstoffatome, um Phosphoratome herzustellen, prekär empfindliche Suspensionen von Atomen und die Herstellung von Pappausschnitten von Basen, während er auf Zinnausschnitte aus der Maschinenhalle5wartet. Solche Kämpfe im Modellbau wurden weitgehend durch die Berechnungsmodellierung behoben, die physikalische Ansätze erweitert oder vollständig verdrängt, obwohl physikalische Modelle ein wesentlicher Aspekt in der chemischen Erziehung und Erprobung6,7,8,9bleiben.
Seit etwa 2010 hat der 3D-Druck eine deutliche Zunahme der Einführung als Werkzeug für kreatives Design und Fertigung verzeichnet. Dieses Wachstum wurde durch den Wettbewerb und die Verfügbarkeit einer Vielzahl von Fused-Deposition Modeling (FDM)-Druckern aus einer Reihe neuer Unternehmen angetrieben, die sich auf eine breite Kommerzialisierung der Technologie konzentrierten. Mit der wachsenden Zugänglichkeit, hat es ein gleichzeitiges Wachstum in der Anwendung dieser Technologien in der Chemie-Ausbildung und experimentelle Labor-Einstellungen10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Während dieses Zeitraums haben sowohl kommerzielle als auch offene Community-Repositorys für 3D-Modelle, wie z. B. der NIH 3D Print Exchange22,Modellsysteme für den 3D-Druck zugänglicher gemacht, obwohl viele dieser Modelle in der Regel auf bestimmte Zielmoleküle ausgerichtet sind und einfache statische Strukturen mit einem Schwerpunkt auf Bindungskonnektivität und -typ bieten. Allgemeinere atomare und molekulare Gruppen können kreativere Konstruktionenermöglichen 12,23, und es besteht ein Bedarf an Modellen, die eine allgemeine Strukturerstellung mit taktilen, dynamischen und kraftempfindlichen Rückkopplungen für molekulare Strukturen ermöglichen können.
Hier präsentieren wir molekulare Strukturkomponenten, die leicht bedruckt und zu dynamischen molekularen Modellen gesättigter Kohlenwasserstoffe zusammengesetzt werden können. Die Komponentenstrukturen sind Teil eines breiterangelegten Kits, den wir für Erweiterungs- und Öffentlichkeitsarbeit für unser Labor und unsere Universität entwickelt haben. Die mitgelieferten Teile wurden so konstruiert, dass sie mit einer Vielzahl von Polymer-Filamenttypen auf FDM 3D-Druckern bedruckbar sind. Wir präsentieren Modellergebnisse mit verschiedenen Polymeren und Veredelungstechniken von Ein- und Zweiextruder-FDM-Druckern. Diese Komponenten sind skalierbar und ermöglichen die Modellfertigung, die sowohl für persönliche Untersuchungen als auch für Demonstrationen in größeren Vorlesungsumgebungen geeignet ist.
Das Hauptziel dieses Berichts besteht darin, andere Forscher und Pädagogen bei der Übersetzung chemischer Strukturdetails und -kenntnisse auf physischere Weise mit dem 3D-Druck zu unterstützen. Zu diesem Zweck heben wir eine Beispielanwendung hervor, indem wir Cyclohexan in verschiedenen Maßstäben zusammenstellen und bearbeiten. Sechs-köpfige Ringsystem-Konformationen sind ein Kernthema in den Einführungskursen der Organischen Chemie24, und diese Konformer sind ein Faktor in der Reaktivität von Ring- und Zuckerstrukturen25,26,27. Die gedruckten Modelle übernehmen flexibel die Schlüsselringkonformer24, und die für Ring-Interkonversionswege benötigte Kraft kann direkt von Hand erkundet und qualitativ ausgewertet werden.
Das Hauptziel dieser Studie ist es, ein Protokoll zur Erstellung dynamischer molekularer Modelle mit Standard-3D-Druckern zu melden. Diese Drucker sind zunehmend zugänglich, oft sogar kostenlos in Bibliotheken, Schulen und anderen Orten zu verwenden. Die ersten Schritte beinhalten, dass sowohl die zu druckenden Modelle als auch die zu verwendenden Materialien und die Entscheidung aus diesen Optionen einige Anregungen erfordern, was kreative additive Fertigung für Forschung und Unterricht tun kann. Um diese Probleme anzugehen, geben wir einige praktische Materialempfehlungen, vorgeschlagene Modellteile, ein 3D-Druckprotokoll und eine Beispielanwendung, die jeweils eine weitere Diskussion rechtfertigen.
Es gibt viele Möglichkeiten von Thermoplasten für den Einsatz im 3D-Druck. Wir heben drei im vorgestellten Protokoll hervor, da diese drei Materialien derzeit die am weitesten verbreiteten für do-it-yourself 3D-Druck eimten. Die Auswahl kann davon abhängen, welches Material von einem verfügbaren 3D-Drucker unterstützt wird, z. B. drucken viele Open-Access-Einrichtungen aufgrund von Umgebungseinschränkungen nur mit PLA. PLA ist ein biologisch abbaubares und kompostierbares Material mit einem Druckprotokoll mit milden Temperatureinstellungen. Sowohl ABS als auch PETG sind weniger umweltfreundlich und im Allgemeinen nicht recycelbar, obwohl PETG auf hochrecycelbarem Polyethylenterephthalat (PET) basiert und möglicherweise eine breitere Verbreitung wie PET sehen kann. Nachhaltige Druckpraktiken würden das Drucken von wenigen Teilen gleichzeitig beinhalten, um sowohl die Druckqualität als auch den Druckerfolg zu gewährleisten, wobei so wenig ausrangiertes Material (Stützstrukturen, Flöße, Saugenschutz usw.) wie möglich verwendet würden. PLA kann spröde sein, so dass, wenn verfügbar, ABS- und PETG-Thermoplaste zu Drucken führen können, die mechanisch belastbarer sind und eine verbesserte Schichthaftung haben. Diese Eigenschaften könnten für ein interaktives molekulares Modell wünschenswert sein, das regelmäßige Manipulationen in einem Labor oder Klassenzimmer sieht.
Die hier vorgestellten Modelle berücksichtigen diese Überlegungen, obwohl sie zunächst so konzipiert sind, dass sie zusammenarbeiten, um einen dynamischen molekularen Modellbau zu ermöglichen. Auf der Standardskala werden sie erfolgreich zu interaktiven molekularen Strukturen zusammengefügt. Sie können leicht auf große Modelle skaliert werden, obwohl die Montage mehr Kraft erfordert, da die Verbindungsstifte bei größerer Größe weniger leicht zu verzerren sind. Beim Schrumpfen der Komponenten wird eine 50%ige Verkleinerung der Größe immer noch mit geringfügigen Modifikationen funktionieren, wie z. B. dem Schrumpfen des Kohlenstoffatommodells auf 48-u201249%, während die Bindung und das Wasserstoffatom bei 50 % gehalten werden, um engere Verbindungen zwischen Teilen in PLA-Drucken zu ermöglichen. Modelle, die so klein sind, sind empfindlicher und erfordern oft Floßstrukturen, um erfolgreich zu drucken, aber sie sind immer noch als dynamische molekulare Modelle funktionsfähig.
Das thermoplastische Material und die gewählten Druckmodelle sind die beiden wichtigsten Aspekte eines 3D-Druckprotokolls. Der gewählte Thermoplast bestimmt die Temperatur, Haftung, Glühen und Veredelung Überlegungen und Optionen. Wenn der verfügbare 3D-Drucker nicht über ein beheiztes Bett verfügt, ist PLA die einzige der vorgestellten thermoplastischen Optionen, die Teile reproduzierbar drucken. Während die mitgelieferten Teile für den reproduzierbaren Druck mit verschiedenen Thermoplasten ausgelegt sind und dynamische Manipulationen aufrecht erhalten, werden Drucke mit Gebrauch und Riss, oft zwischen Druckschichten, abgebaut, wenn sie unter zunehmender Belastung platziert werden. In solchen Situationen ist es einfach und relativ kostengünstig, ein Ersatzteil zu drucken.
Die dynamische Funktionalität molekularer Baugruppen, die aus den bereitgestellten Modellen gedruckt werden, unterscheidet diese Arbeit von anderen verfügbaren und 3D-druckbaren Modellen, die in erster Linie Konnektivitäts- und Bindungstypen hervorheben. Die dynamischen Aspekte werden im kleinen Teil mit der Beispielcyclohexanstruktur dargestellt. Die Konfigurationslandschaft von Cyclohexan ist mit diesen Modellen direkt von Hand zugänglich, und die Topologien dieser Landschaften sind im Allgemeinen mit Rechenuntersuchungen einverstanden. Ein Großteil davon kommt von der Achtung der Besonderheiten der molekularen Geometrie und Freiheitsgrade in diesen physikalischen Modellierungskomponenten. In Linus Paulings Kommentar über ihren Erfolg bei der Entdeckung der Struktur der Helix1behaupteten sie, dass ihre Zeitgenossen Schwierigkeiten hatten, aus idealistischen integralen Annahmen zu kommen und “… nur eine grobe Annäherung an die Anforderungen an interatomare Abstände, Bindungswinkel und Planarität der konjugierten Amidgruppe, wie unsere Untersuchungen zu einfacheren Substanzen vorsehen.” Mehr quantitative Einblicke in diese Richtung erfordern spezifischere Details als die Überlegungen, die beim Erstellen dieser Modellteile getroffen wurden, aber diese Modelle und Empfehlungen bilden eine Grundlage für die allgemeine interaktive physikalische Untersuchung molekularer Systeme. Diese Modelle sind eine Erweiterung von 3D-druckbaren Modellbausätzen, die wir vor diesem Bericht seit mehreren Jahren für Forschungs- und Öffentlichkeitsarbeit produzieren, und zusätzliche Komponenten, die mit diesen beiden Modellen und dem beschriebenen Protokoll kompatibel sind, stehen den Autoren zur Verfügung, um vielfältigere Bonding-Arrangements und dynamischere Maßnahmen zu ermöglichen.
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation (NSF) unter der Nummer 1 unterstützt. 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. |