La modélisation physique des systèmes microscopiques permet d’obtenir des informations qui sont difficiles à obtenir par d’autres moyens. Pour faciliter la construction de modèles moléculaires physiques, nous démontrons comment l’impression 3D peut être utilisée pour assembler des modèles macroscopiques fonctionnels qui capturent les qualités des systèmes moléculaires d’une manière tactile.
Avec la croissance de l’accessibilité de l’impression 3D, il y a eu une application croissante et un intérêt pour les procédés de fabrication additive dans les laboratoires chimiques et l’éducation chimique. S’appuyant sur la longue et fructueuse histoire de la modélisation physique des systèmes moléculaires, nous présentons certains modèles ainsi qu’un protocole pour faciliter l’impression 3D de structures moléculaires capables de faire plus que représenter la forme et la connectivité. Les modèles assemblés tels qu’ils sont décrits intègrent des aspects dynamiques et des degrés de liberté dans les structures d’hydrocarbures saturés. À titre d’exemple représentatif, le cyclohexane a été assemblé à partir de pièces imprimées et finies à l’aide de différents thermoplastiques, et les modèles qui en résultent conservent leur fonctionnalité à une variété d’échelles. Les structures qui en résultent montrent l’accessibilité de l’espace de configuration compatible avec les calculs et la littérature, et les versions de ces structures peuvent être utilisées comme aides pour illustrer des concepts qui sont difficiles à transmettre d’autres façons. Cet exercice nous permet d’évaluer avec succès les protocoles d’impression, de formuler des recommandations pratiques pour l’assemblage et de définir les principes de conception pour la modélisation physique des systèmes moléculaires. Les structures, les procédures et les résultats fournis fournissent une base pour la fabrication et l’exploration individuelles de la structure moléculaire et de la dynamique avec l’impression 3D.
La construction de structures moléculaires a longtemps été un aspect essentiel pour la découverte et la validation de notre compréhension de la forme et des interactions entre les molécules. La construction physique de modèle a été un aspect motivant dans la détermination de la structure α-helixdans les protéines par Pauling et al.1, les structures primaires d’hydrate de clathrate de l’eau2,3, et la structure à double hélice de l’ADN par Watson et Crick4. Dans le récit publié par James Watson de la structure de l’ADN, il détaille bon nombre des luttes rencontrées dans un tel bâtiment modèle, comme l’emballage d’un fil de cuivre autour des atomes de carbone modèle pour faire des atomes de phosphore, suspensions précairement délicates des atomes, et la fabrication de découpes en carton de bases en attendant sur les découpes de boîte de l’atelier de machine5. Ces luttes dans la construction de modèles ont été en grande partie corrigées par la modélisation computationnelle augmentant ou supplantant entièrement les approches physiques, bien que les modèles physiques restent un aspect essentiel dans l’éducation chimique et l’expérimentation6,7,8,9.
Depuis environ 2010, l’impression 3D a connu une croissance significative de l’adoption comme un outil pour la conception créative et la fabrication. Cette croissance a été tirée par la concurrence et la disponibilité d’une variété d’imprimantes de modélisation des dépôts fusionnés (FDM) provenant d’une série de nouvelles entreprises axées sur la commercialisation générale de la technologie. Avec l’accessibilité croissante, il y a eu une croissance simultanée dans l’application de ces technologies dans l’éducation de chimie et les arrangements expérimentaux de laboratoire10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Au cours de cette période, les dépôts commerciaux et ouverts des communautés pour les modèles 3D, tels que le NIH 3D Print Exchange22, ont rendu les systèmes de modèle pour l’impression 3D plus accessibles, bien que beaucoup de ces modèles tendent à être centrés sur des molécules cibles spécifiques et fournissent des structures statiques simples en mettant l’accent sur la connectivité et le type de liaison. Des groupes atomiques et moléculaires plus généraux peuvent permettre des constructions plus créatives12,23, et il y a un besoin de modèles qui peuvent permettre la création de structure générale avec la rétroaction tactile, dynamique, et la force sensible pour des structures moléculaires.
Ici, nous présentons des composants de structure de modèle moléculaire qui peuvent être facilement imprimés et assemblés pour former des modèles moléculaires dynamiques d’hydrocarbures saturés. Les structures de composants font partie d’une trousse plus large que nous avons développée pour les activités d’extension et de sensibilisation de notre laboratoire et de notre université. Les pièces fournies ont été conçues pour être imprimables avec une variété de types de filaments de polymère sur les imprimantes FDM 3D de base. Nous présentons les résultats du modèle à l’aide de différents polymères et techniques de finition provenant d’imprimantes FDM à double et double extrudeur. Ces composants sont évolutifs, permettant la fabrication de modèles adaptés à l’enquête personnelle et la démonstration dans de plus grands contextes de conférence.
L’objectif principal de ce rapport est d’aider d’autres chercheurs et éducateurs à traduire les détails et les connaissances de la structure chimique de manière plus physique grâce à l’impression 3D. À cette fin, nous mettons en évidence une application d’exemple en assemblant et manipulant le cyclohexane à différentes échelles. Les conformations du système d’anneau à six membres sont un sujet central dans les cours d’introduction de chimie organique24, et ces conformes sont un facteur dans la réactivité des structures d’anneau et de sucre25,26,27. Les modèles imprimés adoptent avec souplesse les conformateurs d’anneau de clé24, et la force nécessaire pour les voies d’interconversion d’anneau peut être directement explorée et qualitativement évaluée à la main.
L’objectif principal de cette étude est de signaler un protocole pour l’élaboration de modèles moléculaires dynamiques avec des imprimantes 3D de base. Ces imprimantes sont de plus en plus accessibles, souvent même gratuites dans les bibliothèques, les écoles et d’autres lieux. Commencer implique de faire des choix à la fois sur les modèles à imprimer et les matériaux à utiliser et à décider de ces options peut exiger une certaine inspiration quant à ce que la fabrication additive créative peut faire pour la recherche et l’instruction. Pour résoudre ces problèmes, nous fournissons des recommandations pratiques, des pièces de modèle suggérées, un protocole d’impression 3D et une application d’exemple, dont chacune mérite une discussion plus approfondie.
Il existe de nombreux choix de thermoplastique pour une utilisation dans l’impression 3D. Nous mettons en évidence trois dans le protocole présenté que ces trois matériaux sont actuellement les plus largement disponibles pour l’impression 3D do-it-yourself. Le choix peut dépendre du matériau pris en charge par une imprimante 3D disponible, par exemple de nombreuses installations d’accès libre ne seront imprimées avec PLA en raison de contraintes environnementales. Pla est un matériau biodégradable et compostable qui a un protocole d’impression avec des réglages de température douce. L’ABS et le PETG sont moins respectueux de l’environnement et ne sont généralement pas recyclables, bien que le PETG soit basé sur du polyéthylène téréphtalate hautement recyclable (PET) et puisse éventuellement voir un retraitement plus large comme le PET. Les pratiques d’impression durables consisteraient à imprimer peu de pièces à la fois pour assurer à la fois la qualité d’impression et le succès de l’impression, tout en utilisant le moins de matériaux jetés (structures de soutien, radeaux, boucliers suintement, etc.) que possible. Pla peut être fragile, donc si disponible, abs et PETG thermoplastiques peuvent entraîner des impressions qui sont plus résistants mécaniquement et ont amélioré l’adhérence des couches, respectivement. Ces propriétés pourraient être souhaitables pour un modèle moléculaire interactif qui verra la manipulation régulière dans un arrangement de laboratoire ou de salle de classe.
Les modèles présentés ici tiennent compte de ces considérations, bien qu’ils soient d’abord conçus pour travailler ensemble pour permettre la construction dynamique de modèles moléculaires. À l’échelle par défaut, ils s’assembleront avec succès en structures moléculaires interactives. Ils peuvent facilement être mis à l’échelle jusqu’à de grands modèles, bien que l’assemblage exigera plus de force que les pinces de connexion sont moins faciles à déformer à une plus grande taille. En réduisant les composants, une réduction de 50% de la taille fonctionnera toujours avec des modifications mineures, telles que la réduction du modèle atome de carbone à 48\u201249% tout en maintenant la liaison et l’atome d’hydrogène à 50% pour permettre des connexions plus strictes entre les pièces dans les impressions PLA. Les modèles de cette petite taille sont plus délicats et nécessitent souvent des structures de radeau pour imprimer avec succès, mais ils sont toujours fonctionnels comme modèles moléculaires dynamiques.
Le matériau thermoplastique et les modèles choisis pour imprimer sont les deux aspects les plus critiques d’un protocole d’impression 3D. Le thermoplastique choisi dictera la température, l’adhérence, l’anéalisation et les considérations et les options de finition. Si l’imprimante 3D disponible n’a pas de lit chauffant, PLA est le seul choix thermoplastique présenté qui imprimera les pièces de façon reproductible. Alors que les pièces fournies sont conçues pour imprimer de façon reproductible avec différents thermoplastiques et tenir jusqu’à la manipulation dynamique, les impressions se dégradent avec l’utilisation et la fissure, souvent entre les couches d’impression, lorsqu’elles sont placées sous un stress croissant. Dans de telles situations, il est facile et relativement rentable d’imprimer une pièce de rechange.
La fonctionnalité dynamique des assemblages moléculaires imprimés à partir des modèles fournis différencie ce travail des autres modèles imprimables disponibles et 3D qui mettent principalement en évidence les types de connectivité et de collage. Les aspects dynamiques sont présentés en petite partie avec l’exemple de la structure cyclohexane. Le paysage de configuration du cyclohexane est directement accessible à la main à l’aide de ces modèles, et les topologies de ces paysages sont généralement en accord avec les investigations computationnelles. Une grande partie de cela vient d’un respect pour les spécificités de la géométrie moléculaire et les degrés de liberté dans ces composants de modélisation physique. Dans le commentaire de Linus Pauling sur leur succès à découvrir la structure de l’α-helix1, ils ont affirmé que leurs contemporains ont rencontré des difficultés découlant d’hypothèses intégrales idéalistes et l’adoption « … seulement une approximation approximative des exigences concernant les distances interatomiques, les angles de liaison et la planarité du groupe amide conjugué, comme le donnent nos recherches sur des substances plus simples. Un aperçu plus quantitatif dans ce sens exige des détails plus spécifiques que les considérations prises dans la construction de ces pièces modèles, mais ces modèles et recommandations fournissent une base pour l’étude physique interactive générale des systèmes moléculaires. Ces modèles sont une extension des kits de modèles imprimables 3D que nous produisons pour des activités de recherche et de sensibilisation pendant plusieurs années avant le présent rapport, et d’autres composants compatibles avec ces deux modèles et le protocole décrit sont disponibles auprès des auteurs pour permettre aux auteurs des arrangements de liaison plus diversifiés et une action dynamique.
The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation (NSF) dans le cadre de la subvention 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. |