Fysieke modellering van microscopische systemen helpt bij het verkrijgen van inzichten die moeilijk te verkrijgen zijn op andere manieren. Om de bouw van fysische moleculaire modellen te vergemakkelijken, laten we zien hoe 3D-printen kan worden gebruikt om functionele macroscopische modellen samen te stellen die kwaliteiten van moleculaire systemen op een tactiele manier vastleggen.
Met de groei in toegankelijkheid van 3D-printen, is er een groeiende toepassing van en interesse in additieve productieprocessen in chemische laboratoria en chemisch onderwijs. Voortbouwend op de lange en succesvolle geschiedenis van fysieke modellering van moleculaire systemen, presenteren we geselecteerde modellen samen met een protocol om 3D-printen van moleculaire structuren die in staat zijn om meer te doen dan vertegenwoordigen vorm en connectiviteit te vergemakkelijken. Modellen geassembleerd zoals beschreven bevatten dynamische aspecten en vrijheidsgraden in verzadigde koolwaterstofstructuren. Als representatief voorbeeld werd cyclohexaan geassembleerd uit geprinte en afgewerkte onderdelen met behulp van verschillende thermoplasten, en de resulterende modellen behouden hun functionaliteit op verschillende schalen. De resulterende structuren tonen configuratie-ruimte toegankelijkheid in overeenstemming met berekeningen en literatuur, en versies van deze structuren kunnen worden gebruikt als hulpmiddelen om concepten die moeilijk over te brengen op andere manieren te illustreren. Deze oefening stelt ons in staat om succesvolle afdrukprotocollen te evalueren, praktische aanbevelingen te doen voor assemblage en ontwerpprincipes voor fysieke modellering van moleculaire systemen te schetsen. De verstrekte structuren, procedures en resultaten vormen een basis voor individuele productie en exploratie van moleculaire structuur en dynamiek met 3D-printen.
Moleculaire structuur gebouw is al lang een cruciaal aspect voor de ontdekking en validatie van ons begrip van de vorm van en interacties tussen moleculen. Fysieke modelbouw was een motiverend aspect in de bepaling van de α-helix structuur in eiwitten door Pauling et al.1, de primaire clathrate hydrate structuren van water2,3, en de dubbele helix structuur van DNA door Watson en Crick4. In james Watson’s gepubliceerde verslag van de DNA-structuur, beschrijft hij veel van de strijd geconfronteerd in een dergelijk model gebouw, zoals het verpakken van een koperdraad rond model koolstofatomen om fosforatomen te maken, precair delicate schorsingen van atomen, en het maken van kartonnen uitsparingen van bases in afwachting van tin uitsparingen van de machine winkel5. Dergelijke strijd in de modelbouw is grotendeels verholpen met computationele modellering vergroten of volledig verdringen fysieke benaderingen, hoewel fysieke modellen blijven een essentieel aspect in chemische onderwijs en experimenten6,7,8,9.
Sinds ongeveer 2010 heeft 3D-printen een aanzienlijke groei in adoptie gezien als een hulpmiddel voor creatief ontwerp en productie. Deze groei is gedreven door concurrentie en beschikbaarheid van een verscheidenheid aan Fused-Deposition Modeling (FDM) printers van een reeks nieuwe bedrijven gericht op brede commercialisering van de technologie. Met de toenemende toegankelijkheid is er een gelijktijdige groei in de toepassing van deze technologieën in het stelsel van chemie onderwijs en experimentele laboratoriuminstellingen10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Gedurende deze periode hebben zowel commerciële als open community repositories voor 3D-modellen, zoals de NIH 3D Print Exchange22,modelsystemen voor 3D-printen toegankelijker gemaakt, hoewel veel van deze modellen meestal zijn gecentreerd op specifieke doelmoleculen en eenvoudige statische structuren bieden met de nadruk op bindingsconnectiviteit en -type. Meer algemene atomaire en moleculaire groepen kunnen meer creatieve constructiesmogelijk maken 12,23, en er is behoefte aan modellen die het creëren van algemene structuren mogelijk kunnen maken met tactiele, dynamische en krachtgevoelige feedback voor moleculaire structuren.
Hier presenteren we moleculaire modelstructuurcomponenten die gemakkelijk kunnen worden afgedrukt en geassembleerd om dynamische moleculaire modellen van verzadigde koolwaterstoffen te vormen. De componenten structuren maken deel uit van een bredere kit die we hebben ontwikkeld voor uitbreiding en outreach activiteiten voor ons laboratorium en universiteit. De geleverde onderdelen zijn ontworpen om te worden bedrukt met een verscheidenheid van polymeer filament soorten op commodity FDM 3D printers. We presenteren modelresultaten met behulp van verschillende polymeren en afwerkingstechnieken van zowel enkele als dubbele extruder FDM printers. Deze componenten zijn schaalbaar, waardoor modelproductie geschikt is voor zowel persoonlijk onderzoek als demonstratie in grotere collegeinstellingen.
Het primaire doel van dit rapport is om andere onderzoekers en opvoeders te helpen bij het vertalen van chemische structuurdetails en kennis op meer fysieke manieren met 3D-printen. Hiertoe belichten we een voorbeeldtoepassing door cyclohexaan op verschillende schalen te assembleren en te manipuleren. Zes-lid ring systeem conformaties zijn een kernonderwerp in de inleidende Organische Chemie cursussen24, en deze conformeren zijn een factor in de reactiviteit van ring en suiker structuren25,26,27. De gedrukte modellen nemen flexibel de sleutelhangers24over, en de kracht die nodig is voor ringinterconversietrajecten kan direct met de hand worden verkend en kwalitatief worden geëvalueerd.
Het primaire doel van deze studie is het rapporteren van een protocol voor het maken van dynamische moleculaire modellen met commodity 3D-printers. Deze printers zijn steeds toegankelijker, vaak zelfs gratis te gebruiken in bibliotheken, scholen en andere locaties. Aan de slag gaat het maken van keuzes over zowel de modellen af te drukken en de materialen te gebruiken en de beslissing van deze opties kan enige inspiratie met betrekking tot wat creatieve additieve productie kan doen voor onderzoek en instructie. Om deze problemen aan te pakken, bieden we een aantal praktische materiële aanbevelingen, voorgestelde modelonderdelen, een 3D-printprotocol en een voorbeeldtoepassing, die elk verdere discussie rechtvaardigen.
Er zijn veel keuzes van thermoplastisch voor gebruik in 3D-printen. We benadrukken drie in het gepresenteerde protocol, omdat deze drie materialen momenteel het meest beschikbaar zijn voor doe-het-zelf 3D-printen. De keuze kan afhangen van welk materiaal wordt ondersteund door een beschikbare 3D-printer, bijvoorbeeld veel open access faciliteiten zullen alleen afdrukken met PLA vanwege milieubeperkingen. PLA is een biologisch afbreekbaar en composteerbaar materiaal met een printprotocol met milde temperatuurinstellingen. Zowel ABS als PETG zijn minder milieuvriendelijk en over het algemeen niet recyclebaar, hoewel PETG is gebaseerd op zeer recyclebaar polyethyleentereftalaat (PET) en kan uiteindelijk bredere verspreidingsopwerking zoals PET zien. Duurzame drukpraktijken zouden betrekking hebben op het afdrukken van weinig onderdelen tegelijk om zowel de afdrukkwaliteit als het afdruksucces te garanderen, terwijl het gebruik van zo weinig mogelijk afgedankt materiaal (ondersteuningsstructuren, vlotten, sijpelschilden, enz.) mogelijk is. PLA kan broos zijn, dus indien beschikbaar, ABS en PETG thermoplasten kan resulteren in prints die meer mechanisch veerkrachtig en hebben verbeterde laag hechting, respectievelijk. Deze eigenschappen kunnen wenselijk zijn voor een interactief moleculair model dat regelmatige manipulatie in een laboratorium of klaslokaal instelling zal zien.
De hier gepresenteerde modellen houden rekening met deze overwegingen, hoewel ze in de eerste plaats zijn ontworpen om samen te werken om dynamische moleculaire modelconstructie mogelijk te maken. Op de standaardschaal zullen ze succesvol samengaan in interactieve moleculaire structuren. Ze kunnen gemakkelijk worden opgeschaald naar grote modellen, hoewel de montage zal meer kracht nodig als de verbinding tanden zijn minder gemakkelijk te vervormen bij grotere omvang. Bij het verkleinen van de componenten, een 50% vermindering van de grootte zal nog steeds werken met kleine wijzigingen, zoals het krimpen van de koolstofatoom model tot 48\u201249% terwijl het houden van de band en waterstof atoom op 50% om strakkere verbindingen tussen onderdelen in PLA prints mogelijk te maken. Modellen deze kleine zijn meer delicaat en vereisen vaak vlot structuren met succes af te drukken, maar ze zijn nog steeds functioneel als dynamische moleculaire modellen.
Het thermoplastische materiaal en de gekozen modellen om af te drukken zijn de twee meest kritische aspecten van een 3D-printprotocol. De gekozen thermoplastische zal dicteren de temperatuur, hechting, annealing, en afwerking overwegingen en opties. Als de beschikbare 3D-printer geen verwarmd bed heeft, is PLA de enige van de gepresenteerde thermoplastische keuzes die onderdelen reproduceerbaar zal afdrukken. Terwijl de meegeleverde onderdelen zijn ontworpen om reproduceerbaar af te drukken met verschillende thermoplasten en te houden tot dynamische manipulatie, prints zal degraderen met gebruik en barst, vaak tussen print lagen, wanneer geplaatst onder toenemende stress. In dergelijke situaties is het gemakkelijk en relatief kosteneffectief om een vervangend onderdeel af te drukken.
De dynamische functionaliteit van moleculaire assemblages die zijn afgedrukt op de geleverde modellen onderscheidt dit werk van andere beschikbare en 3D-afdrukbare modellen die voornamelijk connectiviteits- en hechtbare types benadrukken. De dynamische aspecten worden voor een klein deel gepresenteerd met de voorbeeldcycloonstructuur. Het configuratielandschap van cyclohexaan is direct met de hand toegankelijk met behulp van deze modellen, en de topologieën van deze landschappen zijn in het algemeen in overeenstemming met computationele onderzoeken. Veel van dit komt uit een respect voor de details van moleculaire geometrie en mate van vrijheid in deze fysieke modellering componenten. In Linus Pauling’s commentaar op hun succes bij het ontdekken van de structuur van de α-helix1, beweerden ze dat hun tijdgenoten geconfronteerd moeilijkheden die afkomstig zijn van idealistische integrale veronderstellingen en de vaststelling van “… slechts een ruwe benadering van de vereisten over interatomaire afstanden, bindingshoeken en planariteit van de geconjugeerde amidegroep, zoals blijkt uit onze onderzoeken naar eenvoudigere stoffen.” Meer kwantitatief inzicht langs deze lijnen vereist meer specifieke details dan de overwegingen die worden genomen bij het bouwen van deze modelonderdelen, maar deze modellen en aanbevelingen vormen een basis voor algemeen interactief fysiek onderzoek van moleculaire systemen. Deze modellen zijn een uitbreiding van 3D-printbare modelkits die we al enkele jaren voor onderzoek en outreach-activiteiten produceren voorafgaand aan dit rapport, en extra onderdelen die compatibel zijn met beide modellen en het beschreven protocol zijn beschikbaar bij de auteurs om meer diverse hechtingsregelingen en dynamische actie mogelijk te maken.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd ondersteund door de National Science Foundation (NSF) in het kader van 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. |