Mikroskobik sistemlerin fiziksel modellemesi, başka yollarla elde edilmesi zor içgörülerin elde edilmesine yardımcı olur. Fiziksel moleküler modellerin yapımını kolaylaştırmak için, 3D baskının moleküler sistemlerin niteliklerini dokunsal bir şekilde yakalayan işlevsel makroskopik modelleri bir araya getirmek için nasıl kullanılabileceğini gösteriyoruz.
3D baskının erişilebilirliğindeki büyüme ile birlikte, kimyasal laboratuvarlarda ve kimyasal eğitimde katkı maddesi üretim süreçlerine ilgi ve katkı maddesi uygulaması artmaktadır. Moleküler sistemlerin fiziksel modellemesinin uzun ve başarılı geçmişinden dayanarak, şekil ve bağlantıyı temsil etmekten daha fazlasını yapabilen moleküler yapıların 3Boyutlu baskısını kolaylaştıracak bir protokolle birlikte seçilmiş modeller saiyoruz. Açıklandığı gibi biraraya getirilen modeller, doymuş hidrokarbon yapılarına dinamik yönler ve özgürlük dereceleri içerir. Temsili bir örnek olarak, sikloheksane farklı termoplastikler kullanılarak basılmış ve bitmiş parçalardan monte edildi ve ortaya çıkan modeller çeşitli ölçeklerde işlevselliğini korumak. Elde edilen yapılar, hesaplamalar ve literatür ile tutarlı yapılandırma alanı erişilebilirliği gösterir ve bu yapıların sürümleri başka şekillerde iletilmesi zor kavramları göstermek için yardımcı olarak kullanılabilir. Bu alıştırma, başarılı baskı protokollerini değerlendirmemize, montaj için pratik önerilerde bulunmamıza ve moleküler sistemlerin fiziksel modellemesi için tasarım ilkelerini anahatlandırmamıza olanak sağlar. Sağlanan yapılar, prosedürler ve sonuçlar, 3D baskı ile moleküler yapı ve dinamiklerin bireysel üretim ve keşif için bir temel sağlar.
Moleküler yapı inşası, moleküllerin şekli ve etkileşimleri anlayışımızın keşfi ve doğrulanması için uzun zamandır kritik bir unsur olmuştur. Fiziksel model bina Pauling ve arkes yapısı nın proteinlerde α-sarlis yapısının belirlenmesinde motive edici bir unsur oldu1, suyun birincil clathrate hidrat yapıları2,3, ve Watson ve Crick tarafından DNA çift sarlak yapısı4. James Watson’ın DNA yapısının yayınlanmış anlatımında, fosfor atomları yapmak için model karbon atomlarının etrafına bakır bir tel sarma, atomların tehlikeli derecede hassas süspansiyonları ve makinedükkanındankalay kesitlerini beklerken bazların karton kesimleri yapmak gibi model yapıda karşılaşılan mücadelelerin çoğunu ayrıntılarıyla anlatır. Fiziksel modeller kimyasal eğitim ve deneyönemlibir yönü olmaya devam etse de, model yapımında bu tür mücadeleler büyük ölçüde hesaplamalı modelleme büyütme veya tamamen fiziksel yaklaşımlar yerine ile giderilmiştir 6,7,8,9.
2010 yılından bu yana, 3D baskı yaratıcı tasarım ve üretim için bir araç olarak benimsenmesi önemli bir büyüme gördü. Bu büyüme, teknolojinin geniş ticarileştirilmesine odaklanan bir dizi yeni şirketten çeşitli Erimiş Biriktirme Modelleme (FDM) yazıcılarının rekabeti ve kullanılabilirliği ile yürütülmüştür. Artan erişilebilirlik ile, kimya eğitimi ve deneysel laboratuvar ortamlarında bu teknolojilerin uygulanmasında eşzamanlı bir büyüme olmuştur10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Bu süre zarfında, NIH 3D Print Exchange22gibi 3D modeller için hem ticari hem de açık topluluk depoları, 3D yazdırma için model sistemlerini daha erişilebilir hale getirmiştir, ancak bu modellerin çoğu belirli hedef moleküllerüzerinde ortalanmış olma eğilimindedir ve bağ bağlantısı ve türüne vurgu yapılarla basit statik yapılar sağlar. Daha genel atomik ve moleküler gruplar daha yaratıcı yapılar12,,23sağlayabilir ve dokunsal, dinamik ve moleküler yapılar için kuvvet duyarlı geribildirim ile genel yapı oluşturma etkinleştirebilirsiniz modelleri için bir ihtiyaç vardır.
Burada, doymuş hidrokarbonların dinamik moleküler modellerini oluşturmak için kolayca basılabilen ve monte edilebilen moleküler model yapı bileşenlerisi saiyoruz. Bileşen yapıları, laboratuvarımız ve üniversitemiz için genişletme ve sosyal yardım faaliyetleri için geliştirdiğimiz daha geniş bir kitin parçasıdır. Sağlanan parçalar emtia FDM 3D yazıcılarda polimer filament türleri çeşitli yazdırılabilir olarak tasarlanmıştır. Tek li ve çift ekstrüder FDM yazıcılardan farklı polimerler ve son işlem tekniklerini kullanarak model sonuçlarını savuruyoruz. Bu bileşenler ölçeklenebilir, daha büyük ders ayarlarında hem kişisel araştırma hem de gösteri için uygun model üretimi sağlar.
Bu raporun temel amacı, diğer araştırmacı ve eğitimcilere kimyasal yapı ayrıntılarını ve bilgilerini 3D baskı ile daha fiziksel yollarla çevirmelerinde yardımcı olmaktır. Bu amaçla, sikloneni farklı ölçeklerde birleştirerek ve manipüle ederek örnek bir uygulamayı vurguluyoruz. Altı üyeli halka sistemi konformasyonları giriş Organik Kimya derslerinde temel bir konu dur24, ve bu conformrler halka ve şeker yapıların reaktivitesinde bir faktör dür25,26,27. Baskılı modeller esnek anahtarlık conformersbenimsemek 24, ve halka dönüşüm yolları için gerekli kuvvet doğrudan araştırılmış ve nitel elle değerlendirilebilir.
Bu çalışmanın temel amacı, emtia 3D yazıcılar ile dinamik moleküler modellerin işçiliği için bir protokol rapor etmektir. Bu yazıcılar giderek daha erişilebilir, hatta genellikle kütüphanelerde kullanmak için ücretsiz, ve diğer yerlerde. Başlamak, hem yazdırırılacak modeller hem de kullanılacak malzemeler hakkında seçimler yapmayı ve bu seçeneklerden karar vermek, yaratıcı katkı maddesi üretiminin araştırma ve öğretim için neler yapabileceğine dair biraz ilham gerektirebilir. Bu sorunları gidermek için, bazı pratik malzeme önerileri, önerilen model parçaları, bir 3B yazdırma protokolü ve her biri daha fazla tartışmayı gerektirecek bir örnek uygulama sağlarız.
3D baskıda kullanılmak üzere termoplastik birçok seçenek vardır. Bu üç malzeme şu anda do-it-yourself 3D baskı için en yaygın olarak kullanılabilir olduğu gibi sunulan protokolüç vurgulamak. Seçim, hangi malzemenin kullanılabilir bir 3D yazıcı tarafından desteklendirilene bağlı olabilir, örneğin birçok açık erişim tesisi yalnızca çevresel kısıtlamalar nedeniyle PLA ile yazdırılır. PLA, hafif sıcaklık ayarları ile bir baskı protokolü olan bir biyobozunur ve kompostlanabilir malzemedir. PETG son derece geri dönüştürülebilir polietilen tereftalat (PET) dayanmaktadır ve sonunda PET gibi daha geniş yayılmış yeniden işleme görebilirsiniz rağmen hem ABS ve PETG, daha az çevre dostu ve genellikle geri dönüşümlü değildir. Sürdürülebilir baskı uygulamaları, hem baskı kalitesi hem de baskı başarısı sağlamak için bir seferde birkaç parça yazdırmayı içerir, bu süre az atılmış malzemeyi (destek yapıları, sallar, sızıntı kalkanları, vb.) mümkün olduğunca kullanır. PLA kırılgan olabilir, bu nedenle varsa, ABS ve PETG termoplastikler sırasıyla daha mekanik olarak esnek ve geliştirilmiş katman yapışması baskılara neden olabilir. Bu özellikler, laboratuvar veya sınıf ortamında düzenli manipülasyon görecek etkileşimli bir moleküler model için isden edilebilir.
Burada sunulan modeller bu hususları göz önünde bulundururlar, ancak öncelikle dinamik moleküler model yapımını sağlamak için birlikte çalışacak şekilde tasarlanırlar. Varsayılan ölçekte, etkileşimli moleküler yapılara başarılı bir şekilde monte edilecekler. Bağlantı uçları daha büyük boyutta deforme etmek daha kolay olduğundan montaj daha fazla güç gerektirse de, bunlar kolayca büyük modellere ölçeklendirilebilir. Bileşenleri küçültmede, karbon atomu modelini %48\u201249’a küçültmek ve pla baskılı parçalar arasında daha sıkı bağlantılar sağlamak için bağı ve hidrojen atomunu %50’de tutmak gibi küçük değişikliklerle birlikte boyut olarak %50’lik bir azalma devam edecektir. Bu küçük modeller daha hassas ve genellikle başarıyla yazdırmak için sal yapıları gerektirir, ama yine de dinamik moleküler modeller olarak işlevseldir.
Termoplastik malzeme ve baskı için seçilen modeller bir 3D baskı protokolünün en kritik iki yönüdür. Seçilen termoplastik sıcaklık, yapışma, annealing dikte edecek ve değerlendirmeler ve seçenekleri bitirme. Mevcut 3D yazıcıısılan yatak yoksa, PLA parçaları tekrartekrar yazdıracak sunulan termoplastik seçeneklerden sadece biridir. Sağlanan parçalar farklı termoplastiklerle tekrartekrar baskı yapmak ve dinamik manipülasyona dayanacak şekilde tasarlanmış olsa da, baskılar, artan stres altına yerleştirildiğinde genellikle baskı katmanları arasında, kullanım ve çatlakla birlikte bozulacaktır. Bu gibi durumlarda, bir yedek parça yazdırmak kolay ve nispeten uygun maliyetlidir.
Sağlanan modellerden yazdırılan moleküler derlemelerin dinamik işlevselliği, bu çalışmayı öncelikle bağlantı ve yapıştırma türlerini vurgulayan diğer kullanılabilir ve 3D yazdırılabilir modellerden ayırır. Dinamik yönleri örnek sikloheksane yapısı ile küçük bir kısmı sunulmaktadır. Sikloheksane konfigürasyon manzara doğrudan elle bu modelleri kullanarak erişilebilir, ve bu manzara topolojileri hesaplamalı araştırmalar ile genel olarak anlaşma vardır. Bunların çoğu, moleküler geometrinin özelliklerine ve bu fiziksel modelleme bileşenlerindeki özgürlük derecelerine saygı dan kaynaklanıyor. Linus Pauling’in α-saris1’inyapısını keşfetmedeki başarıları hakkındaki yorumunda, çağdaşlarının idealist integral varsayımlardan gelen güçlüklerle karşılaştıklarını ve “… daha basit maddeler le ilgili araştırmalarımız da belirtildiği gibi, konjuge amid grubunun atomik mesafeleri, bağ açıları ve düzlemselliği ile ilgili gereksinimlere kabaca bir yaklaşım.” Bu doğrultuda daha nicel içgörü, bu model parçalarının yapımında dikkate alınan hususlardan daha spesifik ayrıntılar gerektirir, ancak bu modeller ve öneriler moleküler sistemlerin genel etkileşimli fiziksel incelemesi için bir temel sağlar. Bu modeller, bu rapordan önce birkaç yıldır araştırma ve sosyal yardım faaliyetleri için ürettiğimiz 3D yazdırılabilir model kitlerinin bir uzantısıdır ve hem bu modeller hem de açıklanan protokolle uyumlu ek bileşen parçaları daha çeşitli yapıştırma düzenlemeleri ve dinamik eylem sağlamak için yazarlar tarafından kullanılabilir.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma Grant No altında Ulusal Bilim Vakfı (NSF) tarafından desteklenmiştir. 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. |