Summary
يساعد النمذجة الفيزيائية للأنظمة المجهرية في الحصول على رؤى يصعب اكتسابها بوسائل أخرى. لتسهيل بناء النماذج الجزيئية الفيزيائية، نُظهر كيف يمكن استخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد لتجميع نماذج مجهرية وظيفية تلتقط صفات الأنظمة الجزيئية بطريقة عن طريق اللمس.
Abstract
مع النمو في إمكانية الوصول إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد ، كان هناك تطبيق متزايد واهتمام بعمليات تصنيع المواد المضافة في المختبرات الكيميائية والتعليم الكيميائي. بناء على تاريخ طويل وناجحة من النمذجة المادية للأنظمة الجزيئية، ونحن نقدم نماذج مختارة جنبا إلى جنب مع بروتوكول لتسهيل الطباعة ثلاثية الأبعاد من الهياكل الجزيئية التي هي قادرة على القيام بأكثر من تمثيل الشكل والاتصال. وتشمل النماذج التي تم تجميعها على النحو المبين الجوانب الدينامية ودرجات الحرية في الهياكل الهيدروكربونية المشبعة. وكمثال على ذلك، تم تجميع السيكلوهيكسان من أجزاء مطبوعة ونتهيت باستخدام اللدائن الحرارية المختلفة، وتحتفظ النماذج الناتجة بوظائفها في مجموعة متنوعة من المقاييس. وتظهر الهياكل الناتجة إمكانية الوصول إلى حيز التكوين بما يتفق مع الحسابات والأدب، ويمكن استخدام نسخ هذه الهياكل كـ أدوات مساعدة لتوضيح المفاهيم التي يصعب نقلها بطرق أخرى. هذا التمرين يتيح لنا تقييم بروتوكولات الطباعة الناجحة، وتقديم توصيات عملية للتجميع، وتحديد مبادئ التصميم للنظم المادية للنظم الجزيئية. توفر الهياكل والإجراءات والنتائج المقدمة أساسًا للتصنيع الفردي واستكشاف البنية والديناميات الجزيئية مع الطباعة ثلاثية الأبعاد.
Introduction
كان بناء الهيكل الجزيئي منذ فترة طويلة جانبًا حاسمًا لاكتشاف والتحقق من فهمنا لشكل الجزيئات وتفاعلاتها. كان بناء النموذج المادي جانبًا محفزًا في تحديد بنية α-الحلزون في البروتينات بواسطة Pauling etal. 1، وهياكل هيدرات الكلاثرات الأولية للمياه2،3، وبنية الحلزون المزدوج للحمض النووي بواسطة واتسون وكريك4. في رواية جيمس واتسون المنشورة عن بنية الحمض النووي ، تفاصيل العديد من الصراعات التي تواجه في مثل هذا المبنى النموذجي ، مثل التفاف سلك نحاسي حول ذرات الكربون النموذجية لصنع ذرات الفوسفور ، وتعليق دقيق بشكل غير مستقر للذرات ، وصنع قصاصات من الورق المقوى للقواعد أثناء انتظار قطع القصدير من متجر الآلة5. وقد تم علاج هذه الصراعات في بناء نموذج إلى حد كبير مع زيادة النمذجة الحاسوبية أو استبدال تماما النهج الفيزيائية، على الرغم من النماذج الفيزيائية لا تزال جانبا أساسيا في التعليم الكيميائي والتجريب6،7،8،9.
منذ حوالي عام 2010، شهدت الطباعة ثلاثية الأبعاد نموًا كبيرًا في الاعتماد كأداة للتصميم والتصنيع الإبداعي. وقد كان الدافع وراء هذا النمو المنافسة وتوافر مجموعة متنوعة من ينصهر ترسب النمذجة (FDM) الطابعات من سلسلة من الشركات الجديدة التي تركز على تسويق واسع من التكنولوجيا. مع تزايد إمكانية الوصول ، كان هناك نمو متزامن في تطبيق هذه التقنيات في التعليم الكيمياءي وإعدادات المختبر التجريبي10،11،12،13،14،15،16،17،18،19،20،21. خلال هذه الفترة الزمنية، جعلت مستودعات المجتمع التجاري والمفتوح للنماذج ثلاثية الأبعاد، مثل22من النماذج المطبوعة ثلاثية الأبعاد NIH، أنظمة نموذجية للطباعة ثلاثية الأبعاد أكثر سهولة، على الرغم من أن العديد من هذه النماذج تميل إلى أن تكون مركزة على جزيئات مستهدفة محددة وتوفر هياكل ثابتة بسيطة مع التركيز على اتصال السندات والنوع. أكثر من المجموعات الذرية والجزيئية يمكن تمكين أكثر إبداعا الانشاءات12،23، وهناك حاجة لنماذج التي يمكن أن تمكن من خلق هيكل عام مع رد فعل عن طريق اللمس ، ودينامية ، وقوة حساسة للهياكل الجزيئية.
هنا، نقدم مكونات التركيبة الجزيئية التي يمكن طباعتها وتجميعها بسهولة لتشكيل نماذج جزيئية ديناميكية من الهيدروكربونات المشبعة. الهياكل المكونة هي جزء من مجموعة أوسع وضعنا لأنشطة الإرشاد والتوعية لمختبرنا وجامعتنا. وقد تم تصميم الأجزاء المقدمة لتكون قابلة للطباعة مع مجموعة متنوعة من أنواع خيوط البوليمر على طابعات FDM 3D السلعية. نقدم نتائج النموذج باستخدام البوليمرات المختلفة وتقنيات التشطيب من كل من طابعات FDM الطاردة المزدوجة والمزدوجة. هذه المكونات قابلة للتطوير، مما يتيح تصنيع نموذج مناسب لكل من التحقيق الشخصي والبيان العملي في إعدادات المحاضرات الأكبر.
الهدف الأساسي من هذا التقرير هو مساعدة الباحثين والمعلمين الآخرين في ترجمة تفاصيل البنية الكيميائية والمعرفة بطرق أكثر فيزيائية مع الطباعة ثلاثية الأبعاد. وتحقيقا لهذه الغاية، ونحن تسليط الضوء على تطبيق مثال عن طريق تجميع والتلاعب هتكسان على مختلف المقاييس. ستة أعضاء نظام تشكيلات حلقة هي موضوع أساسي في دورات الكيمياء العضوية التمهيدية24، وهذه التطابقات هي عامل في التفاعل من هياكل حلقة والسكر25،26،27. نماذج مطبوعة بمرونة اعتماد المطابقة حلقة رئيسية24، والقوة اللازمة لمسارات interconversion حلقة يمكن استكشافها مباشرة وتقييمها نوعيا باليد.
Protocol
1. إعداد ملفات نموذج للطباعة 3D
ملاحظة: يجعل عدد كبير من الطابعات ثلاثية الأبعاد وبرامج الطباعة الحرة والتجارية الاتجاهات الدقيقة خارج نطاق هذه المقالة. وترد هنا عملية البروتوكول العام والتوصيات، مع إيلاء الاعتبارات المحددة للنماذج التمثيلية المبينة مع البرامج الحاسوبية والطابعات ثلاثية الأبعاد (انظر جدول المواد). التوجيهات المخصصة لصناعة محددة لطابعة القارئ ومزيج البرمجيات تقطيع الأسبقية على التوصيات المقدمة.
- تحميل ملفات stereolithography التكميلية (.stl) المرتبطة بهذه المقالة(الملفات التكميلية S1\u2012S5). قم بتحميل هذه الملفات إلى الكمبيوتر باستخدام برنامج مقسم الشرائح.
- استيراد أحد ملفات C_atom_sp3 أو H_atom أو C-C_bond في برنامج slicer. استخدم تنسيق المليمتر للوحدات إذا كان الخيار متوفراً. في البرنامج، انقر إما فوق الزر استيراد لوحة النماذج من النافذة الرئيسية أو حدد الأمر نماذج الاستيراد ضمن القائمة المنسدلة ملف. حدد ملف الطراز المناسب من مستعرض الملف الناتج.
- استيراد كل من الملفات H_atom_dual_bottom H_atom_dual_top لطبعات الطارد المزدوج لذرة الهيدروجين. محاذاة، مجموعة، وتعيين نماذج المكون إلى الطارد ذات الصلة على أساس لون خيوط الهدف.
- تحجيم النموذج المستورد إلى الحجم المطلوب. لهذا، انقر نقراً مزدوجاً فوق النموذج الرسومي في العرض الرئيسي أو النموذج المسرود في لوحة نماذج من الإطار الرئيسي. يفتح هذا الإجراء لوحة تحرير نموذج التي تمكن ترجمة والتناوب، وتحجيم النموذج المستهدف. يتم عرض نماذج تمثيلية ل50٪ ، 100 ٪ ، 200 ٪ ، و 320 ٪ لمقياس جميع الأجزاء المتصلة.
- تنشيط هياكل الدعم لنماذج C_atom_sp3 مع موازين أكبر من 100%. يمكن استخدام هياكل الدعم ولكنها ليست ضرورية بشكل عام لجميع النماذج الأخرى.
- تفعيل مجموعة من القوارب أو هيكل حافة ل 100٪ ونماذج أصغر حجما. ولا ينبغي أن تكون هذه الهياكل ضرورية لمعظم النماذج الأكبر حجماً لأن القاعدة المسطحة سيكون لها اتصال كاف مع سطح السرير لتبقى ثابتة في مكانها. تساعد الطوافات على توفير طبقة أولى ملتصقة جيدًا للطباعة ثلاثية الأبعاد ، لذلك إذا كانت هناك أي صعوبات في استقرار الطبقة المطبوعة الأولى على أي مقياس ، فإن تنشيط بنية الطوافة يمكن أن يؤدي إلى مطبوعات أكثر نجاحًا على حساب المواد اللازمة لهيكل الطوافة.
- نماذج مكررة لإنشاء صفيف من النماذج حسب الرغبة عن طريق تحديد الخيار نماذج مكررة من القائمة تحرير وإدخال عدد أجزاء الطراز في مربع الحوار الناتج. ترتيب الطراز (نماذج) بالقرب من مركز النظام الأساسي بناء بالنقر فوق الزر "مركز" و "ترتيب" في لوحة نماذج من الإطار الرئيسي أو عن طريق تحديد الخيار مركز وترتيب ضمن القائمة تحرير السحب.
ملاحظة: انظر الشكل 1 للحصول على ترتيب مثال لستة نماذج C_atom_sp3 مطبوعة بحمض بوليلاكيك (PLA). من الأكثر أماناً طباعة جزء واحد في كل مرة، على الرغم من أن طباعة أجزاء صغيرة متعددة من نفس اللون عادة ما تكون أكثر كفاءة في الوقت. غالباً ما تكون جودة طباعة الأجزاء في المصفوفات أقل بسبب الحاجة إلى المزيد من نقاط التراجع بين النماذج. كما أن مطبوعات الطرز ذات المصفوفة لديها احتمال متزايد للفشل حيث يمكن أن يتداخل جزء واحد أثناء الطباعة مع طباعة أجزاء أخرى.
الشكل 1: يمكن طباعة الذرات أو السندات الشبيهة بالون على شكل صفائف. لزيادة كفاءة الطباعة بتكلفة طفيفة في الجودة، يتم طباعة أجزاء من الألوان المُشبهة بسهولة في المصفوفات. هنا، يتم طباعة ست ذرات الكربون جيش التحرير الشعبى الصينى معا، كل وضعها على هيكل طوافة صغيرة مع هيكل حافة مخطط. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
- تعيين إعدادات معالجة الطراز المناسب للطباعة الهدف باستخدام إضافة أو تحرير إعدادات العملية من لوحة العمليات في النافذة الرئيسية.
ملاحظة: البرنامج المستخدم لديه إعدادات معالجة افتراضية قابلة للتحديد لجيش التحرير الشعبى الصينى، ABS، وغيرها من اللدائن الحرارية المتاحة عند إضافة عملية جديدة أو تحرير عملية عن طريق النقر على التوالي إضافة أو إعدادات عملية تحرير من لوحة العمليات من النافذة الرئيسية. يتبع تعديلات محددة والأساس المنطقي لأجزاء النموذج الجزيئي المقدمة.- تعيين قيمة التعبئة النموذجية بين 15% و 25%. هذا سوف تستخدم أقل خيوط والنتيجة في أجزاء أخف وزنا، ولكن الهياكل تجميعها النهائي ستكون قوية بما يكفي للبقاء على قيد الحياة التلاعب المادية.
- استخدم إعدادات الردم بنسبة 100% لمناطق الموصل في C_bond c وأجزاء H_atom طراز إذا كان ذلك ممكناً أو حسب الحاجة لزيادة متانة علامات تبويب الموصل.
- اختر سمك طبقة طباعة 0.2 مم أو أصغر للحفاظ على تفاصيل الطباعة.
- تعيين سرعة الطبقة الأولى إلى قيمة بين 25 و 50% في علامة التبويب طبقة من إعدادات العملية. الطبقة الأولى المطبوعة ببطء سوف تحسن التصاق إلى سرير الطباعة وسوف يؤدي إلى طباعة أكثر نجاحا الشاملة 3D.
- تعيين درجة حرارة طارد الطابعة ودرجة حرارة سرير الطابعة إلى القيم الموصى بها للمواد خيوط الطابعة المختارة. درجات الحرارة المقدمة هي توصيات نقطة البداية.
- لجيش التحرير الشعبى الصينى، تعيين الطارد = 215 درجة مئوية؛ السرير = لا تدفئة.
- لبولي إيثيلين تيريفثاليت الجليكول المعدلة (PETG) تعيين الطارد = 235 درجة مئوية، والسرير = 80 درجة مئوية.
- للأكريلونيتريل بوتاديين الستايرين (ABS) تعيين الطارد = 245 درجة مئوية والسرير = 110 درجة مئوية.
- بالنسبة C_atom_sp3 أجزاء النموذج، استخدم قواقع مخطط/محيط مع اتجاه مخطط "خارجي في" لتقليل تشويه الطباعة في الجزء السفلي من المجال. تتوفر هذه الخيارات من علامة التبويب طبقة من إطار إعدادات العملية. بالنسبة لجميع الأجزاء الأخرى، يوصى بتوجيه المخطط التفصيلي "من الداخل إلى الخارج" للحصول على نهاية سطحية أنظف.
- إذا كان إجراء طباعة طارد مزدوج من H_atom_dual_bottom الانحياز وطرازات H_atom_dual_top، قم بتشغيل خيار درع الأزيز اختياريًا. سوف تقوم مقسمة الشرائح بعد ذلك بتوليد هندسة جدار رقيقة حول النموذج الذي سيلتقط أي بوليمر نازف من رأس الطارد غير النشط ، ومع ذلك لا يزال ساخنًا .
- قم بشريحة النموذج إلى طبقات طباعة لإنشاء مسار أدوات G-Code. انقر فوق الزر تحضير للطباعة على النافذة الرئيسية، أو حدد الخيار تحضير للطباعة ضمن القائمة تحرير السحب.
2. إعداد الطابعة لطباعة أجزاء
- معطف سطح سرير الطابعة مع الشريط الرسام الأزرق للأسرة غير مدفأة. معطف سطح سرير الطابعة مع الشريط الرسام الأزرق والطبقات السفلية من الشريط بوليميد للأسرة ساخنة.
- تطبيق طبقة رقيقة من الغراء عصا على الشريط الرسام الأزرق. الغراء البوليمر عصا تحسين التصاق الطباعة على سطح السرير.
- ضع أو أغلق حاوية تهوية فوق سرير الطابعة. يقلل العلبة من التيارات الهوائية التي يمكن أن تزعج التلاهم بالطباعة.
- لجيش التحرير الشعبى الصينى، فتح أي / جميع منافذ التهوية كما يفضل التبريد السريع. قم بتشغيل مروحة السرير أثناء الطباعة إن أمكن.
- بالنسبة إلى PETG، افتح عددًا محدودًا من منافذ التهوية حيث يفضل التبريد التدريجي. مروحة السرير غير ضرورية أثناء الطباعة.
- بالنسبة إلى ABS، افتح الحد الأدنى لعدد منافذ التهوية حيث يفضل التبريد التدريجي للغاية. أوقف مراوح السرير أثناء الطباعة.
- بمجرد إعداد الطابعة، انقر فوق الزر "بدء الطباعة عبر USB" لإرسال الرمز G إلى الطابعة المتصلة وبدء عملية الطباعة.
3. التشطيب وتجميع الهياكل النموذجية
- إزالة أجزاء من سرير الطابعة. في حالة مطبوعات السرير ساخنة، وإزالة أجزاء بعد أن تبريد السرير لتجنب تشويه النموذج أثناء فصل.
- إزالة الهياكل الطوافة أو حافة من قاعدة أجزاء إذا استخدمت. فرك قاعدة الجزء النموذجي مع متوسطة إلى غرامة الصنفرة حصى لإزالة أي خيوط طوف المرفقة المتبقية.
- رمل قاعدة C_atom_sp3 أجزاء نموذج مع متوسطة (120 حصى) إلى غرامة جدا (320 حصى) الصنفرة لإزالة عيوب السطح. سلاسة السطح مع ورق الرمل حصى غرامة جدا. تلميع السطح إلى النهاية المطلوبة مع قطعة قماش تلميع أو عجلة عازلة في ثورة منخفضة في الإعداد الدقيقة.
ملاحظة: على سبيل المثال، يمكن استخدام أداة Dremel مع عجلة عازلة قطرها 0.5 بوصة من مجموعة إلى 10000 دورة في الدقيقة للتلميع، مع الحرص على عدم الإفراط في تسخين الطباعة وتسبب عيوب سطحية.- PLA: عادة ما يكون لدى الطباعة نهاية لامعة قليلاً بعد الطباعة كما هو موضح في لوحات الشكل 2. هذه النهاية مشوبة بالرمل الخشن ، ولكن يمكن استعادة النهاية اللامعة مع التلميع.
- PETG: عادة ما يكون على مطبوعات الانتهاء من لامعة قليلا التي يمكن أن تكون رملية واستعادة مع تلميع كما هو الحال مع جيش التحرير الشعبى الصينى.
- ABS: عادة ما يكون على طباعة غير لامع أو فقط هامشية الانتهاء بعد الطباعة(الشكل 3A). ويمكن تحقيق الانتهاء من لمعان عالية(الشكل 3B) عن طريق غمس أجزاء منفصلة في حمام الأسيتون ل1\u20122 s ووضعها في منطقة التهوية حتى تبخر الأسيتون وسطح قد توطدت داخل عادة 12\u201224 ح.
تنبيه: الأسيتون قابل للاشتعال وينبغي تطبيقه لماما في غطاء الدخان أو منطقة جيدة التهوية. ABS يذوب في الأسيتون، لذلك لا ينبغي أن تعامل أجزاء مع عيوب فصل طبقة بسبب ضعف الحند مع الأسيتون السائل. وسوف Acetone إدخال نماذج من خلال هذه العيوب وحل في الردم نموذج (الشكل 3C). تلميع مع بخار الأسيتون هو عملية أبطأ من شأنها أن تؤدي إلى تأثير مماثل، على الرغم من أن الاحتياطات السلامة ينبغي اتخاذها نظرا لاشتعال الأسيتون.
الشكل 2: يمكن أن تكون أكثر بصريا مطبوعات الطارد المزدوج المكررة. (أ)ثنائي نموذج الطارد مطبوعات ذرة الهيدروجين بصريا أكثر تماسكا من (B)جميع مطبوعات ذرة الهيدروجين نموذج أبيض. (C)عند توصيلها معا لتشكيل حلقات كاملة cyclohexane، ونماذج جيش التحرير الشعبي تجميعها متطابقة وظيفيا. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: يمكن معالجة نماذج ABS كيميائياً لإنهاء لامع. (A) ABS نموذج يطبع تميل إلى أن يكون لها مظهر أكثر انتشارا أو غير لامع، ولكن (B) بعد معالجة كيميائيا الأجزاء مع تراجع قصيرة في الأسيتون أنها تحصل على الانتهاء من لمعان عالية. (C) إذا دخل الأسيتون داخل الطباعة من خلال عيوب فصل الطبقة ، فإن الأسيتون سوف يحل النموذج من الداخل إلى الخارج ، مما يؤدي إلى انهياره. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
- إدراج أطراف موصل من C_bond C وأجزاء طراز H_atom في مآخذ على أجزاء طراز C_atom_sp3 وفقاً لتطبولوجيا الترابط المطلوبة. ضغط أجزاء نموذج معا حتى يتم سماع نقرة مسموعة. بمجرد الاتصال ، يجب أن تدور السندات الفردية بحرية حول هذا الاتصال دون أن تنهار.
ملاحظة: احتواء الاتصال ضيق، لذلك قد يتطلب هذا قوة كبيرة للنماذج مع التحجيم أكبر من 100%. وليس المقصود الأجزاء المقدمة لفصلها بعد ربطها معا، ولكن يمكن فصلها بقوة تطبيقية كبيرة جدا. التناوب حول السندات متصلة هو ميزة المطلوب للأجزاء والنماذج المقدمة. يتطلب تأمين الدوران نموذج ذرة (كربون مهجّّد sp2، على سبيل المثال) مع بنية ثابتة في مقبس التوصيل الذي يُدرج بين تباعد علامات التبويب في نهاية نموذج السندات. - تجميع جميع الأجزاء المطبوعة وفقا للهيكل الجزيئي المطلوب. تشبع جميع أجزاء النموذج C_atom_sp3 عن طريق ملء أي مأخذ مفتوح مع جزء نموذج H_atom. بالنسبة لحلقة مثل cyclohexane، أغلق الحلقة مع جزء نموذج C-C_bond بين أجزاء الطراز C_atom_sp3.
Representative Results
ويغطي البروتوكول المقدم مجموعة متنوعة من الخيارات المحتملة للبناء التفاعلي للنموذج الجزيئي. كمثال أساسي وموحد لتجميع جزيئي باستخدام هذه الأجزاء النموذجية، اخترنا تجميع هياكل cyclohexane التفاعلية في مجموعة متنوعة من المقاييس. ويبين الشكل 2 الأجزاء اللازمة لهذا الهيكل: ست ذرات C، وستة روابط C-C، واثنتي عشرة ذرة H. تم وضع هذه المطبوعات المحددة باستخدام كلا الطابعات المدرجة في جدول المواد. الطابعة الطاردة المزدوجة الأكثر تكلفة تمكن إنتاج مكونات مزدوجة اللون; هنا هياكل ذرة الهيدروجين ذات اللونين مع تغيير اللون عند نقطة الوسط للرابطة (الشكل 2A). الهيدروجين أحادية اللون في الشكل 2B الطباعة في حوالي 50\u201260٪ وقت أقل نظرا لعدم وجود هيكل الدرع الأذيني وعدم وجود تراجع البوليمر في التبديل بين الطاردات النشطة. الهياكل السيكلوهيكسان تجميعها(الشكل 2C)هي مكافئة وظيفيا، على الرغم من أن مطبوعات الطارد المزدوج تميل إلى أن تبدو معتدلة أكثر دقة.
النماذج جيش التحرير الشعبى الصينى في الشكل 2 قد النهاية لطيفة معقول أن أكثر دقة من نماذج ABS مباشرة قبالة الطابعة (الشكل 3A). المعالجة الكيميائية لنماذج ABS مع الأسيتون يعطي الانتهاء من لمعان على نحو سلس وعالية أن يعطي تقريبا سطح نظرة الرطب (الشكل 3B). مثل هذا التشطيب يمكن أن يكون مزعجا، لا سيما إذا لم تكن نماذج ABS محن جيدا. النماذج الكبيرة المطبوعة مع ABS عرضة لعيوب فصل طبقة. تحدث عيوب فصل الطبقة عندما تبرد الطبقة السابقة قبل أن يتمكن الطارد من اجتيازها لوضع الطبقة التالية. من المهم للغاية لمطبوعات ABS الكبيرة أن تظل البيئة المحيطة بسرير التدفئة في الطابعة عند درجة حرارة دافئة وساخنة لإبطاء معدل التبريد. إذا كانت الطباعة مع عيب طبقة مغمورة في الأسيتون، سوف الأسيتون يدخل النموذج وحل هيكل الدعم الداخلي. هذا سوف ينهار النموذج من الداخل كما هو مبين في الشكل 3C.
مظهر متميز مرئياً ثانوي إلى وظيفة هياكل النموذج. تم تصميم الموصلات لتمكين الدوران الحر حول الروابط الفردية. لاختبار فائدتها في أنظمة مختلفة، طُبعت أربع مجموعات مختلفة من أحجام أجزاء، مع قطر ذرة الكربون الذي يمتد من 17.5 مم، 35 مم، 70 مم، و 112 ملم. وكانت الهياكل السيكلوهيكسان المجمعة(الشكل 4)قادرة على ثني وتشويه واعتماد المطابقة ذات الصلة بنفس الطريقة. وكان أصغر من هذه النماذج الأكثر عرضة لعيوب الطباعة، مما يجعل هذا الحجم يحتمل أن تكون صغيرة جدا وغير مستحسن دون التغيير والتبديل في الحجم النسبي للأجزاء. إحدى الفوائد الأساسية للمطبوعات الأصغر هي سرعة الطباعة. مجموعة من ست ذرات الكربون أصغر المطبوعة في حوالي 2 ساعة، بالمقارنة مع 10 ح المطلوبة لذرة كربون واحدة من أكبر حجم. في حين بطيئة للطباعة ، ونماذج كبيرة يحتمل أن تكون أكثر فعالية للاتصال في إعدادات المحاضرات حيث سيكون من الصعب رؤية حركة بنية صغيرة من مسافة بعيدة.
الشكل 4: النماذج وظيفية في مجموعة متنوعة من المقاييس. لتوضيح كيفية طباعة النماذج لأغراض مختلفة، تم تجميع نماذج cyclohexane في أربعة مقاييس مختلفة وتحتفظ جميعها بنفس الوظيفة. ذرات الكربون من أكبر أكبر من الكرة اللينة (قطرها 112 مم) في حين أن الهيكسان تجميعها من أصغر يمكن أن يصلح داخل الكرة اللينة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الجانب الديناميكي هو واحد من السمات الرئيسية التي تفصل هذه الهياكل عن النماذج الجزيئية القابلة للطباعة الأخرى. منذ الذرات يمكن بسهولة تدور بالنسبة لبعضها البعض، يمكن تشويه الهياكل إلى المفاجئة في المطابقة تمثيلية مختلفة من cyclohexane. ويبين الشكل 5 الكرسي والقارب وهيكل الدولة الانتقالية للتشابك بين مساحات التكوين الخاصة بكل منها. هذه النقطة الدولة الانتقالية لديها أربع ذرات الكربون المسمى في هندسة24،28، نفس هيكل الدولة الانتقالية التي يحقق المرء القيام B3LYP /6-311 + G(2d، ف) حسابات29. بعد نفس حركة الترددات الوهمية الدولة الانتقالية، التواء قليلا 2 صعودا و 3 إلى أسفل سوف المفاجئة النموذج في المشهد الطاعن القارب، في حين التواء قليلا 2 إلى أسفل و 3 حتى سيعود هيكل إلى متكاون كرسي.
الشكل 5: يمكن الوصول إلى مُواد السيكلوهين بشكل كامل. كما يمكن أن تدور الذرات حول الروابط الخاصة بهم، نماذج يمكن أن تعتمد كرسي مقفلة بشكل sterically وأشكال القوارب الحرة أكثر conformationally. وتنطوي الحالة الانتقالية بين هذه الأشكال على أربع ذرات كربونية في الحلقة تقريباً. التواء طفيفة 2 مع 3 إلى أسفل سوف تنزلق النموذج إلى الطاعن القارب، في حين التواء 2 إلى أسفل مع 3 حتى سيعود النموذج إلى المُعدّل للكرسي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الدولة نقطة الطاقة الحرة تقديرات(الجدول التكميلي S1) من B3LYP/6-311 + G (2d، ع) حسابات من النقاط الدولة الأمثل(الملفات التكميلية S6\u2012S9)تعطي فجوة بين المواصفات تطور القارب والقارب من 0.8 كالوري / مول، وهو قريب جدا من الطاقة الحرارية في 298.15 K. وهذا يشير إلى أن التحويل بين هذه يجب أن عينة بحرية تقريبا. الفجوة بين المُعَدّد للكرسي وحالة الانتقال بين المُتداخلين هي أكثر من عشرة أضعاف هذه القيمة، مما يشير إلى أن الكرسي يجب أن يكون مُقفلًا بشكلٍ مُغلق بالمقارنة. ويتضح ذلك في الشكل 6، والذي يظهر متوسط الطاقة المطابقة المقدرة عند كل ذرة كربون موقع النسبية الطائرة الحلقة هو latitudinally المتوقعة على الكرة على مدى مرحلة الغاز الديناميات الجزيئية الحساب30،31. في مُعَدّي الكرسي على اليسار، تكون الطاقة منخفضة عندما تُزاح ذرات الكربون فوق أو تحت مستوى الحلقة، ولكنها ترتفع بشكل كبير إذا كانت تُحلّ لتتماشى مع الطائرة الحلقية. في المواصفات قارب، والطاقة المطابقة منخفضة نسبيا عندما تكون الكربونات في الطائرة حلقة (تطور السفينة الدولة)، وأكثر من ذلك إلى حد كبير القوارب المشردين معتكف ليست في طاقة أعلى بشكل كبير. يمكن استكشاف هذه المناظر الطبيعية التكوين مع نماذج 3D cyclohexane المطبوعة، مع التزامم كرسي فقط قادرة على الاهتزاز محليا في حين أن المواصفات قارب يمكن أن تترمل بسلاسة من زوج واحد من ذرات الكربون المعاكس إلى التالي.
الشكل 6: نموذج السلوك يطابق الحسابات. في كرسي وقارب المواصفات الدول، يمكن إسقاط التشريد لاتّهانية من ذرات الكربون حول الطائرة حلقة على مدى حساب الديناميات الجزيئية على سطح المجال المغلقة. في حين أن شكل الكرسي هو الأكثر حيوية مستقرة، هو مؤمن ويمكن فقط بين التحول إلى شكل مقلوب من خلال المرور من خلال دولة انتقال الطاقة العالية. كل من الحسابات والمرونة نموذج المطبوعة تشير إلى أن القارب وتطور قارب المواصفات مفصولة ما يقرب من 1 كBT في 298.15 K، مما يسمح بتشريد latitudinal الحر تقريبا من ذرات الكربون في هذا النموذج. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الجدول التكميلي S1: تقديرات الطاقة الحرة للدولة نقطة. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الجدول.
الملف التكميلي 1. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.
الملف التكميلي 2. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.
الملف التكميلي 3. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.
الملف التكميلي 4. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.
الملف التكميلي 5. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.
الملف التكميلي 6. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.
الملف التكميلي 7. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.
الملف التكميلي 8. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.
الملف التكميلي 9. الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.
Discussion
الهدف الأساسي من هذه الدراسة هو الإبلاغ عن بروتوكول لصياغة النماذج الجزيئية الديناميكية مع الطابعات ثلاثية الأبعاد السلعية. هذه الطابعات متاحة بشكل متزايد، وغالبا ما تكون مجانية للاستخدام في المكتبات والمدارس وأماكن أخرى. البدء ينطوي على اتخاذ خيارات حول كل من نماذج للطباعة والمواد لاستخدام واتخاذ قرار من هذه الخيارات قد تتطلب بعض الإلهام بشأن ما يمكن أن تفعله التصنيع المضافة الإبداعية للبحث والتعليم. لمعالجة هذه القضايا، نقدم بعض التوصيات المادية العملية، وأجزاء نموذج المقترحة، وبروتوكول الطباعة 3D، وتطبيق المثال، كل منها يستحق المزيد من المناقشة.
هناك العديد من الخيارات للبلاستيك الحراري للاستخدام في الطباعة ثلاثية الأبعاد. نسلط الضوء على ثلاثة في البروتوكول المعروض لأن هذه المواد الثلاث هي حاليا الأكثر توافرا على نطاق واسع للطباعة ثلاثية الأبعاد. قد يعتمد الاختيار على ما هي المواد التي تدعمها طابعة 3D المتاحة، على سبيل المثال العديد من مرافق الوصول المفتوح سوف تطبع فقط مع جيش التحرير الشعبي بسبب القيود البيئية. PLA هو مادة قابلة للتحلل والتسميد التي لديها بروتوكول الطباعة مع إعدادات درجة الحرارة المعتدلة. كل من ABS وPETG هي أقل صديقة للبيئة وغير قابلة لإعادة التدوير عموما، على الرغم من أن PETG يستند إلى إعادة التدوير عالية البولي ايثيلين تيريفثالات (PET) ويمكن أن نرى في نهاية المطاف إعادة معالجة انتشار أوسع مثل PET. وتشمل ممارسات الطباعة المستدامة طباعة أجزاء قليلة في وقت واحد لضمان جودة الطباعة ونجاح الطباعة، مع استخدام هذا في الوقت الذي تستخدم كمادة التخلص من القليل (هياكل الدعم، والطوافات، ودروع الزى، الخ) ممكن. جيش التحرير الشعبى الصينى يمكن أن تكون هشة، حتى إذا كان متوفرا، يمكن أن يؤدي ABS والبلاستيك PETG في مطبوعات التي هي أكثر مرونة ميكانيكيا وتحسين التصاق طبقة، على التوالي. يمكن أن تكون هذه الخصائص مرغوبة لنموذج الجزيئية التفاعلية التي ستشهد التلاعب العادية في المختبر أو الفصول الدراسية الإعداد.
تأخذ النماذج المعروضة هنا هذه الاعتبارات في الاعتبار، على الرغم من أنها مصممة أولا للعمل معا لتمكين البناء الحيوي للنموذج الجزيئي. في المقياس الافتراضي ، سوف يتجمعون بنجاح في الهياكل الجزيئية التفاعلية. ويمكن بسهولة أن يتم توسيع نطاقها إلى نماذج كبيرة، على الرغم من أن التجميع سيتطلب المزيد من القوة حيث أن شوكات الاتصال أقل سهولة في تشويهها بحجم أكبر. في تقليص المكونات، فإن تخفيض حجم 50٪ لا يزال يعمل مع تعديلات طفيفة، مثل تقليص نموذج ذرة الكربون إلى 48\u201249٪ مع الحفاظ على السندات وذرة الهيدروجين عند 50٪ لتمكين اتصالات أكثر صرامة بين الأجزاء في يطبع جيش التحرير الشعبي. النماذج الصغيرة هذه أكثر دقة وغالبا ما تتطلب هياكل الطوافة لطباعة بنجاح، لكنها لا تزال وظيفية كنماذج جزيئية ديناميكية.
تعتبر مادة اللدائن الحرارية والنماذج المختارة للطباعة أهم جانبين لبروتوكول الطباعة ثلاثية الأبعاد. سوف يتميّز اللدائن الحرارية المختارة بإملاء درجة الحرارة والالتصاق والحنّي والتشطيب والاعتبارات والخيارات. إذا لم يكن الطابعة 3D المتاحة سريرا ساخنة، جيش التحرير الشعبى الصينى هو واحد فقط من الخيارات التي قدمت البلاستيك الحراري التي سوف طباعة أجزاء reproducibly. في حين أن الأجزاء المقدمة مصممة للطباعة بشكل مستنسخ مع اللدائن الحرارية المختلفة وعقد ما يصل إلى التلاعب الديناميكي ، فإن المطبوعات تتحلل مع الاستخدام والصدع ، في كثير من الأحيان بين طبقات الطباعة ، عندما توضع تحت ضغط متزايد. في مثل هذه الحالات، من السهل نسبيا وفعالة نسبيا لطباعة جزء بديل.
إن الوظائف الديناميكية للجمعيات الجزيئية المطبوعة من النماذج المقدمة تميز هذا العمل عن النماذج الأخرى المتاحة والقابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد التي تسلط الضوء في المقام الأول على أنواع الاتصال والترابط. يتم تقديم الجوانب الديناميكية في جزء صغير مع بنية cyclohexane المثال. يمكن الوصول إلى منظر تكوين cyclohexane مباشرةً باليد باستخدام هذه النماذج، كما أن طبولوجيا هذه المناظر الطبيعية تتفق بشكل عام مع التحقيقات الحسابية. ويأتي الكثير من هذا من احترام خصوصيات الهندسة الجزيئية ودرجات الحرية في مكونات النمذجة الفيزيائية هذه. في تعليق لينوس باولينغ على نجاحها في اكتشاف بنية α-الحلزون1، زعموا أن معاصريهم واجهوا صعوبات قادمة من افتراضات مثالية متكاملة واعتماد "... فقط تقريب تقريبي تقريبي لمتطلبات المسافات بين الدول، وزوايا السندات، وألواح من مجموعة أميد مترافق، كما هو معطى من خلال تحقيقاتنا من مواد أبسط." المزيد من التبصر الكمي على هذا المنوال يتطلب تفاصيل أكثر تحديدا من الاعتبارات المتخذة في بناء هذه الأجزاء النموذجية، ولكن هذه النماذج والتوصيات توفر أساسا للتحقيقات الفيزيائية التفاعلية العامة للأنظمة الجزيئية. هذه النماذج هي امتداد لأطقم نماذج قابلة للطباعة ثلاثية الأبعاد كنا ننتجها لأنشطة البحث والتوعية لعدة سنوات قبل هذا التقرير، وأجزاء مكونات إضافية متوافقة مع كل من هذه النماذج والبروتوكول الموصوف متاحة من المؤلفين لتمكين ترتيبات الترابط الأكثر تنوعًا والعمل الديناميكي.
Disclosures
ليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
وقد دعم هذا العمل المؤسسة الوطنية للعلوم تحت المنحة رقم 1999. تشي-1847583.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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. |
References
- Pauling, L., Corey, R. B., Branson, H. R. The structure of proteins: Two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain. Proceedings of the National Academy of Sciences. 37 (4), 205-211 (1951).
- Claussen, W. F. Suggested Structures of Water in Inert Gas Hydrates. The Journal of Chemical Physics. 19 (2), 259-260 (1951).
- Claussen, W. F. A Second Water Structure for Inert Gas Hydrates. The Journal of Chemical Physics. 19 (11), 1425-1426 (1951).
- Watson, J. D., Crick, F. H. C. Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature. 171 (4356), 737-738 (1953).
- Watson, J. D. The double helix: a personal account of the discovery of the structure of DNA. , Weidenfeld and Nicolson. (1981).
- Cademartiri, R., et al. A simple two-dimensional model system to study electrostatic-self-assembly. Soft Matter. 8 (38), 9771-9791 (2012).
- Reches, M., Snyder, P. W., Whitesides, G. M. Folding of electrostatically charged beads-on-a-string as an experimental realization of a theoretical model in polymer science. Proceedings of the National Academy of Sciences. 106 (42), 17644-17649 (2009).
- Tricard, S., et al. Analog modeling of Worm-Like Chain molecules using macroscopic beads-on-a-string. Physical Chemistry Chemical Physics. 14 (25), 9041-9046 (2012).
- Tricard, S., Stan, C. A., Shakhnovich, E. I., Whitesides, G. M. A macroscopic device described by a Boltzmann-like distribution. Soft Matter. 9 (17), 4480-4488 (2013).
- Capel, A. J., Rimington, R. P., Lewis, M. P., Christie, S. D. R. 3D printing for chemical, pharmaceutical and biological applications. Nature Reviews Chemistry. 2 (12), 422-436 (2018).
- Jones, O. A. H., Spencer, M. J. S. A Simplified Method for the 3D Printing of Molecular Models for Chemical Education. Journal of Chemical Education. 95 (1), 88-96 (2018).
- Paukstelis, P. J. MolPrint3D: Enhanced 3D Printing of Ball-and-Stick Molecular Models. Journal of Chemical Education. 95 (1), 169-172 (2018).
- Pinger, C. W., Geiger, M. K., Spence, D. M. Applications of 3D-Printing for Improving Chemistry Education. Journal of Chemical Education. 97 (1), 112-117 (2020).
- Robertson, M. J., Jorgensen, W. L. Illustrating Concepts in Physical Organic Chemistry with 3D Printed Orbitals. Journal of Chemical Education. 92 (12), 2113-2116 (2015).
- Au - Da Veiga Beltrame, E., et al. 3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy. JoVE. (121), e55427 (2017).
- Fourches, D., Feducia, J. Student-Guided Three-Dimensional Printing Activity in Large Lecture Courses: A Practical Guideline. Journal of Chemical Education. 96 (2), 291-295 (2019).
- Rossi, S., Benaglia, M., Brenna, D., Porta, R., Orlandi, M. Three Dimensional (3D) Printing: A Straightforward, User-Friendly Protocol To Convert Virtual Chemical Models to Real-Life Objects. Journal of Chemical Education. 92 (8), 1398-1401 (2015).
- Griffith, K. M., Cataldo, R. d, Fogarty, K. H. Do-It-Yourself: 3D Models of Hydrogenic Orbitals through 3D Printing. Journal of Chemical Education. 93 (9), 1586-1590 (2016).
- Carroll, F. A., Blauch, D. N. 3D Printing of Molecular Models with Calculated Geometries and p Orbital Isosurfaces. Journal of Chemical Education. 94 (7), 886-891 (2017).
- Van Wieren, K., Tailor, H. N., Scalfani, V. F., Merbouh, N. Rapid Access to Multicolor Three-Dimensional Printed Chemistry and Biochemistry Models Using Visualization and Three-Dimensional Printing Software Programs. Journal of Chemical Education. 94 (7), 964-969 (2017).
- Carroll, F. A., Blauch, D. N. Using the Force: Three-Dimensional Printing a π-Bonding Model with Embedded Magnets. Journal of Chemical Education. 95 (9), 1607-1611 (2018).
- The NIH 3D Print Exchange. The NIH 3D Print Exchange: A Public Resource for Bioscientific and Biomedical 3D Prints. 3D Printing and Additive Manufacturing. 1 (3), 137-140 (2014).
- Penny, M. R., et al. Three-Dimensional Printing of a Scalable Molecular Model and Orbital Kit for Organic Chemistry Teaching and Learning. Journal of Chemical Education. 94 (9), 1265-1271 (2017).
- Nelson, D. J., Brammer, C. N. Toward Consistent Terminology for Cyclohexane Conformers in Introductory Organic Chemistry. Journal of Chemical Education. 88 (3), 292-294 (2011).
- Anet, F. A. L., Bourn, A. J. R. Nuclear Magnetic Resonance Line-Shape and Double-Resonance Studies of Ring Inversion in Cyclohexane-d11. Journal of the American Chemical Society. 89 (4), 760-768 (1967).
- Mayes, H. B., Broadbelt, L. J., Beckham, G. T. How Sugars Pucker: Electronic Structure Calculations Map the Kinetic Landscape of Five Biologically Paramount Monosaccharides and Their Implications for Enzymatic Catalysis. Journal of the American Chemical Society. 136 (3), 1008-1022 (2014).
- Satoh, H., Manabe, S. Design of chemical glycosyl donors: does changing ring conformation influence selectivity/reactivity. Chemical Society Reviews. 42 (10), 4297-4309 (2013).
- Allinger, N. L. Conformational analysis. 130. MM2. A hydrocarbon force field utilizing V1 and V2 torsional terms. Journal of the American Chemical Society. 99 (25), 8127-8134 (1977).
- Gaussian 09 v.Revision C.01. , Gaussian, Inc. Wallingford CT. (2010).
- Abraham, M. J., et al. GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers. SoftwareX. 1-2, 19-25 (2015).
- Wang, J., Wolf, R. M., Caldwell, J. W., Kollman, P. A., Case, D. A. Development and testing of a general amber force field. Journal of Computational Chemistry. 25 (9), 1157-1174 (2004).
