Summary
현미경 시스템의 물리적 모델링은 다른 방법으로 얻기 어려운 통찰력을 얻는 데 도움이됩니다. 물리적 분자 모델의 시공을 용이하게 하기 위해, 당사는 3D 프린팅을 사용하여 분자 시스템의 품질을 촉각방식으로 포착하는 기능적 거시적 모델을 조립하는 방법을 보여줍니다.
Abstract
3D 프린팅의 접근성이 증가함에 따라 화학 실험실 및 화학 교육에서 적층 제조 공정에 대한 적용과 관심이 증가하고 있습니다. 분자 시스템의 물리적 모델링의 길고 성공적인 역사를 바탕으로, 우리는 모양과 연결을 나타내는 것 이상을 할 수있는 분자 구조의 3D 프린팅을 용이하게하기 위한 프로토콜과 함께 선택 모델을 제시합니다. 설명된 바와 같이 조립된 모델은 포화 탄화수소 구조에 동적 측면과 자유도를 통합합니다. 대표적인 예로, 사이클로헥산은 서로 다른 열가소성 플라스틱을 사용하여 인쇄된 부품에서 조립및 완성되었으며, 그 결과 모델은 다양한 스케일에서 기능을 유지합니다. 결과 구조는 계산 및 문헌과 일치하는 구성 공간 접근성을 표시하며 이러한 구조의 버전은 다른 방법으로 전달하기 어려운 개념을 설명하기 위한 보조 자료로 사용할 수 있습니다. 이 연습을 통해 성공적인 인쇄 프로토콜을 평가하고, 조립을 위한 실용적인 권장 사항을 만들고, 분자 시스템의 물리적 모델링을 위한 설계 원칙을 간략하게 설명할 수 있습니다. 제공된 구조, 절차 및 결과는 3D 프린팅을 통해 분자 구조 및 역학을 개별 제조 및 탐색할 수 있는 토대를 제공합니다.
Introduction
분자 구조 건물은 오랫동안 분자 간의 모양과 상호 작용에 대한 우리의 이해에 대한 발견과 검증을 위한 중요한 측면이었습니다. 물리적 모델 건물은 폴링 외1,1차 수질 수화 구조의 주막 수화 구조에 의해 단백질내α-나선 구조의 결정에서 동기 부여양상이었다 α2,,3,왓슨과 크릭4에의해 DNA의 이중 나선 구조. 제임스 왓슨이 발표한 DNA 구조 에 대한 기사에서 그는 모델 탄소 원자 주위에 구리 와이어를 감싸인 후 인 원자를 만들고, 원자의 불안정하게 섬세한 서스펜션을 만들고, 기계가게에서주석 컷아웃을 기다리는 동안 베이스의 골판지 컷아웃을 만드는 등 모델 건물에서 직면한 많은 어려움을 자세히 설명합니다. 모델 건물에서 이러한 투쟁은 주로 컴퓨팅 모델링 증강 또는 완전히 대체 물리적 접근으로 해결되었습니다, 물리적 모델은 화학 교육 및실험6,,7,,88,9에필수적인 측면남아 있지만.
2010년 경부터 3D 프린팅은 창의적인 디자인과 제조를 위한 도구로채택이 크게 성장했습니다. 이러한 성장은 기술의 광범위한 상용화에 초점을 맞춘 일련의 새로운 회사에서 다양한 Fused-증착 모델링(FDM) 프린터의 경쟁과 가용성에 의해 주도되었습니다. 접근성이 증가함에 따라 화학 교육 및 실험 실험실 설정10,,,,,,,,12,13,14,,15,16,17,18,,19,20,21에서이러한 기술을적용하여동시 성장이 있었습니다.12, 이 기간 동안 NIH 3D Print Exchange22와같은 3D 모델에 대한 상용 및 개방형 커뮤니티 리포지토리는 3D 프린팅모델 시스템을 보다 쉽게 이용할 수 있도록 했지만, 이러한 모델 중 상당수는 특정 대상 분자를 중심으로 결합 연결 및 유형에 중점을 둔 간단한 정적 구조를 제공하는 경향이 있습니다. 보다 일반적인 원자 및 분자 그룹은12,,23의창의적인 구조를 가능하게 할 수 있으며 분자 구조에 대한 촉각, 동적 및 강제 민감성 피드백을 통해 일반 구조 생성을 가능하게 할 수 있는 모델이 필요합니다.
여기서는 포화 탄화수소의 동적 분자 모델을 형성하기 위해 쉽게 인쇄및 조립할 수 있는 분자 모델 구조 성분을 제시합니다. 구성 요소 구조는 실험실 및 대학을 위한 확장 및 봉사 활동을 위해 개발한 광범위한 키트의 일부입니다. 제공된 부품은 상품 FDM 3D 프린터에서 다양한 폴리머 필라멘트 유형으로 인쇄할 수 있도록 설계되었습니다. 단일 및 이중 압출기 FDM 프린터에서 서로 다른 폴리머 및 마무리 기술을 사용하여 모델 결과를 제시합니다. 이러한 구성 요소는 확장 가능하므로 대규모 강의 환경에서 개인 조사 및 데모모두에 적합한 모델 제조를 가능하게 합니다.
이 보고서의 주요 목적은 3D 프린팅을 통해 화학 구조 세부 사항 및 지식을 보다 물리적인 방식으로 번역하는 다른 연구자와 교육자들을 돕는 것입니다. 이를 위해 서로 다른 비늘에서 사이클로헥산을 조립하고 조작하여 예제 응용 프로그램을 강조 표시합니다. 6인링 시스템 적합성은 소개 유기화학과정(24)의핵심 주제이며, 이러한 순응은 링 및 당구조(25,,26,27)의27반응성 요인이다. 인쇄 된 모델은 키 링 굴곡(24)을유연하게 채택하고 링 상호 변환 경로에 필요한 힘을 직접 탐구하고 손으로 질적으로 평가 할 수 있습니다.
Protocol
1. 3D 프린팅을 위한 모델 파일 준비
참고: 많은 수의 3D 프린터와 무료 및 상업용 인쇄 소프트웨어는 이 문서의 범위를 넘어 정확한 방향을 제시합니다. 일반 프로토콜 프로세스 및 권장 사항은 여기에 제공되며 나열된 소프트웨어 및 3D 프린터와 함께 표시된 대표 모델에 대한 구체적인 고려 사항(재료 표참조)이 제공됩니다. 독자의 프린터와 슬라이스 소프트웨어 조합에 특정한 전용 제조업체 지침이 제공된 권장 사항보다 우선합니다.
- 이 문서와 관련된 추가 스테레오리소그래피 (.stl) 파일을 다운로드하십시오(보충 파일 S1\u2012S5). 슬라이서 프로그램을 사용하여 이러한 파일을 컴퓨터에 업로드합니다.
- C_atom_sp3, H_atom 또는 C-C_bond 파일 중 하나를 슬라이서 프로그램에 가져옵니다. 옵션을 사용할 수 있는 경우 단위에 밀리미터 형식을 사용합니다. 소프트웨어에서 주 창의 모델 패널 가져오기 단추를 클릭하거나 파일 풀다운 메뉴에서 모델 가져오기 명령을 선택합니다. 결과 파일 브라우저에서 적절한 모델 파일을 선택합니다.
- 수소 원자의 이중 압출기 인쇄를 위해 H_atom_dual_bottom 및 H_atom_dual_top 파일을 모두 가져옵니다. 대상 필라멘트 색상을 기반으로 관련 압출기에 부품 모델을 정렬, 그룹 화 및 할당합니다.
- 가져온 모델을 원하는 크기로 조정합니다. 이를 위해 메인 디스플레이의 그래픽 모델또는 주 창의 모델 패널에 나열된 모델을 두 번 클릭합니다. 이 작업은 대상 모델의 변환, 회전 및 배율을 가능하게 하는 모델 편집 패널을 엽니다. 대표 모델은 모든 상호 연결 부품에 대해 50%, 100%, 200%, 320% 스케일로 표시됩니다.
- 100% 이상의 스케일을 가진 C_atom_sp3 모델에 대한 지원 구조를 활성화합니다. 지원 구조를 사용할 수 있지만 일반적으로 다른 모든 모델에는 필요하지 않습니다.
- 뗏목 또는 챙 구조를 100% 및 더 작은 스케일 모델으로 활성화합니다. 플랫 베이스가 제자리에 고정 된 상태로 유지침대 표면과 충분한 접촉을 할 것이기 때문에 이러한 구조는 대부분의 큰 모델에 필요하지 않아야합니다. 뗏목은 3D 인쇄를 위해 잘 부착 된 첫 번째 레이어를 제공하는 데 도움이되므로 어떤 규모로든 첫 번째 인쇄 층의 안정성에 어려움이 있는 경우 뗏목 구조를 활성화하면 뗏목 구조에 필요한 재료를 희생하여 더 성공적인 인쇄로 이어질 수 있습니다.
- 중복 모델은 편집 메뉴에서 중복 모델 옵션을 선택하고 결과 대화 상자에 모델 부품 수를 입력하여 원하는 대로 모델 배열을 생성합니다. 메인 창의 모델 패널에서 센터 및 정렬 버튼을 클릭하거나 편집 풀다운 메뉴에서 센터 및 정렬 옵션을 선택하여 빌드 플랫폼 의 중심 근처에 모델을 정렬합니다.
참고: 폴리락산(PLA)으로 인쇄된 6개의 C_atom_sp3 모델의 예를 들어 그림 1을 참조하십시오. 동일한 색상의 여러 개의 작은 부분을 인쇄하는 것이 일반적으로 시간 효율이 높지만 한 번에 단일 부품을 인쇄하는 것이 가장 안전합니다. 모델 간의 필라멘트 철회 지점이 필요하기 때문에 어레이의 부품 인쇄 품질이 저하되는 경우가 많습니다. 또한 인쇄 중에 한 부분이 다른 부품의 인쇄를 방해할 수 있기 때문에 모델의 어레이 인쇄는 고장 가능성이 증가합니다.
그림 1: 같은 색상의 원자 또는 채권을 배열로 인쇄할 수 있습니다. 약간의 품질 비용으로 인쇄 효율을 높이기 위해 같은 색상의 일부가 어레이에 쉽게 인쇄됩니다. 여기서 6개의 PLA 탄소 원자가 함께 인쇄되며, 각 원자는 윤곽이 있는 챙 구조의 작은 뗏목 구조위에 배치되어 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
- 메인 창의 프로세스 패널에서 프로세스 설정 추가 또는 편집을 사용하여 대상 인쇄에 적합한 모델 처리 설정을 설정합니다.
참고: 사용된 소프트웨어에는 새 프로세스를 추가하거나 메인 창의 프로세스 패널에서 프로세스 추가 또는 편집 프로세스 설정을 각각 클릭하여 프로세스를 편집할 때 PLA, ABS 및 기타 사용 가능한 열가소성에 대한 선택 가능한 기본 처리 설정이 있습니다. 제공된 분자 모델 부품에 대한 구체적인 조정 및 근거는 다음과 같습니다.- 모델 채우기 값을 15%에서 25%로 설정합니다. 이렇게 하면 필라멘트가 적고 부품이 더 가벼워지지만 최종 조립 된 구조는 물리적 조작에서 살아남을 만큼 강할 것입니다.
- 가능하거나 필요한 경우 C-C_bond 및 H_atom 모델 부품의 커넥터 영역에 100% 채우기 설정을 사용하여 커넥터 탭의 내구성을 높입니다.
- 인쇄 세부 정보를 유지하려면 0.2mm 이하의 인쇄 레이어 두께를 선택합니다.
- 프로세스 설정의 레이어 탭에서 첫 번째 레이어 속도를 25~50% 값으로 설정합니다. 천천히 인쇄된 첫 번째 레이어는 인쇄 베드에 대한 접착력을 향상시키고 전체 적인 3D 인쇄를 더욱 성공적으로 생성합니다.
- 프린터 압출기 및 프린터 침대 온도를 선택한 프린터 필라멘트 재료에 권장되는 값으로 설정합니다. 제공된 온도는 시작점 권장 사항입니다.
- PLA의 경우 압출기 설정 = 215°C; 침대 = 난방 없음.
- 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜 변형(PETG) 세트 압출기 = 235°C, 침대 = 80°C용.
- 아크릴로니트리어부타디엔 스티렌(ABS)의 경우 압출기 = 245°C 및 침대 = 110°C를 설정합니다.
- C_atom_sp3 모델 부품의 경우 "외부 인" 윤곽선 방향이 있는 두 개의 윤곽/경계 쉘을 사용하여 구 의 하단에 있는 인쇄 왜곡을 최소화합니다. 이러한 옵션은 프로세스 설정 창의 레이어 탭에서 사용할 수 있습니다. 다른 모든 부품의 경우 "인사이드 아웃" 윤곽선 방향은 더 깨끗한 표면 마감에 권장됩니다.
- 정렬된 H_atom_dual_bottom 및 H_atom_dual_top 모델의 이중 압출기 인쇄를 수행하는 경우 선택적으로 스며들 쉴드 옵션을 켭니다. 그런 다음 슬라이서가 모델 주위에 얇은 벽 형상을 생성하여 비활성, 아직 뜨겁지만 압출기 팁에서 떨어지는 폴리머를 잡을 수 있습니다.
- 모델을 인쇄 레이어로 슬라이스하여 G 코드 도구 경로를 생성합니다. 메인 창에서 인쇄 준비 버튼을 클릭하거나 풀다운 편집 메뉴에서 인쇄 준비 옵션을 선택합니다.
2. 부품 인쇄를 위한 프린터 준비
- 가열되지 않은 침대를 위해 파란색 화가의 테이프로 프린터 침대의 표면을 코팅합니다. 파란색 화가의 테이프와 가열 된 침대를위한 폴리이마이드 테이프의 언더 레이어와 프린터 침대의 표면을 코팅합니다.
- 파란색 화가의 테이프에 얇은 접착제 스틱을 발라주세요. 접착제 스틱 폴리머는 침대 표면에 인쇄 접착력을 향상시킬 것입니다.
- 프린터 침대에 통풍이 잘 되는 인클로저를 배치하거나 닫습니다. 인클로저는 인쇄 어닐링을 방해할 수 있는 기류를 최소화합니다.
- PLA의 경우 신속한 냉각이 바람직하므로 모든 환기 포트를 엽니다. 가능하면 인쇄 하는 동안 침대 팬을 켭니다.
- PETG의 경우 점진적 냉각이 바람직하므로 제한된 수의 환기 포트를 엽니다. 인쇄 하는 동안 침대 팬 불필요 하다.
- ABS의 경우 매우 점진적인 냉각이 바람직하므로 최소 수의 환기 포트를 엽니다. 인쇄 하는 동안 침대 팬을 끄십시오.
- 프린터가 준비되면 "USB를 통해 인쇄 시작" 버튼을 클릭하여 G-Code를 연결된 프린터로 보내고 인쇄 프로세스를 시작합니다.
3. 모델 구조의 마무리 및 조립
- 프린터 침대에서 부품을 제거합니다. 가열 된 침대 인쇄의 경우, 분리 하는 동안 모델을 왜곡 하지 않도록 침대 냉각 후 부품을 제거 합니다.
- 사용 하는 경우 부품의 기지에서 뗏목 또는 가장자리 구조를 제거 합니다. 모델 부품의 베이스를 중간에서 미세한 모래 사포로 문지르면 남은 뗏목 필라멘트를 제거합니다.
- C_atom_sp3 모델 부품의 베이스를 중간(120grit)으로 모래로 매우 미세(320 grit) 사포로 하여 표면 결함을 제거합니다. 아주 미세한 모래 사포로 표면을 부드럽게 합니다. 분당 낮은 회전에서 연마 천 이나 버퍼 휠로 원하는 마무리표면을 연마.
참고: 예를 들어 0.5인치 직경의 버퍼 휠이 10,000rpm으로 설정된 드레멜 도구를 연마하는 데 사용할 수 있으며, 인쇄물을 과도하게 가열하고 표면 결함을 일으키지 않도록 주의할 수 있습니다.- PLA: 인쇄물은 일반적으로 그림 2의패널에 표시된 것처럼 인쇄 후 약간 광택 이완이 있습니다. 이 마무리는 거친 모래로 손상되지만 광택 있는 마무리는 연마로 복원 할 수 있습니다.
- PETG: 인쇄물은 일반적으로 PLA와 마찬가지로 연마로 샌드링및 복원할 수 있는 약간 광택있는 마감이 있습니다.
- ABS: 인쇄는 일반적으로 인쇄 후 매트 또는 약간 광택 마무리(그림 3A)가있습니다. 고광택 마감(도3B)은1\u20122s용 아세톤 욕조에 부품을 따로 찍어 아세톤이 증발하고 표면이 일반적으로 12\u201224h 내에 고화될 때까지 환기 부위에 배치함으로써 달성될 수 있다.
주의: 아세톤은 인화성이며 연기 후드 또는 통풍이 잘 되는 부위에 아껴서 적용해야 합니다. ABS는 아세톤에 용해되므로 어닐링 불량으로 인한 층 분리 결함이 있는 부품은 액체 아세톤으로 처리해서는 안 됩니다. 아세톤은 이러한 결함을 통해 모델을 입력하고 모델 채우기(도 3C)를용해합니다. 아세톤 증기로 연마하는 것은 아세톤의 가연성을 감안할 때 안전 주의 사항을 취해야하지만 유사한 효과를 초래하는 느린 공정입니다.
그림 2: 듀얼 압출기 인쇄는 시각적으로 더 세련될 수 있습니다. (A)듀얼 압출기 모델 수소 원자 프린트는 시각적으로 더 응집력이 있습니다(B)모든 흰색 모델 수소 원자 인쇄. (C)완전한 사이클로헥산 링을 형성하기 위해 함께 연결하면 조립된 PLA 모델은 기능적으로 동일합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: ABS 모델은 광택 마감을 위해 화학적으로 처리될 수 있습니다. (A)ABS 모델 프린트는 더 확산 또는 매트 모양을 갖는 경향이 있지만,(B)화학적으로 아세톤에 잠깐 딥으로 부품을 치료 한 후 그들은 높은 광택 마무리를 얻을. (C)아세톤이 층 분리 결함을 통해 프린트의 내부에 들어가면 아세톤이 내부에서 외부로 모델을 녹여 붕괴시다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
- 원하는 접합 토폴로지에 따라 C-C_bond 및 H_atom 모델 부품의 커넥터 끝을 C_atom_sp3 모델 부품의 소켓에 삽입합니다. 가청 클릭이 들릴 때까지 모델 부품을 함께 짜내. 연결되면 단일 본드가 떨어지지 않고 이 연결에 대해 자유롭게 회전해야 합니다.
참고: 연결 적합도가 좁기 때문에 배율이 100% 이상인 모델에 상당한 힘이 필요할 수 있습니다. 제공된 부품은 함께 연결한 후 분리될 수 있는 것은 아니지만 매우 중요한 적용 된 힘으로 분리 될 수 있습니다. 연결된 결합에 대한 회전은 제공된 부품 및 모델에 대해 원하는 피쳐입니다. 잠금 회전에는 본드 모델 의 끝에 있는 탭의 간격 사이에 삽입되는 연결 소켓에 고정 된 구조가있는 원자 모델 (예를 들어 sp2 하이브리드 화 탄소)이 필요합니다. - 원하는 분자 구조에 따라 인쇄된 모든 부품을 조립합니다. 열린 소켓을 H_atom 모델 부품으로 채우면 모든 C_atom_sp3 모델 부품을 포화시합니다. 사이클로헥산과 같은 링의 경우 C_atom_sp3 모델 부품 사이에 C C_bond 모델 부품으로 링을 닫습니다.
Representative Results
제공된 프로토콜은 대화형 분자 모델 구성을 위한 다양한 잠재적 옵션을 다룹니다. 이러한 모델 부품을 사용하는 분자 어셈블리의 기본 적이고 통일된 예로, 다양한 비늘에서 대화형 사이클로헥산 구조를 조립하기로 결정했습니다. 도 2는 6개의 C 원자, 6개의 C-C 채권 및 12H 원자와 같은 이 구조에 필요한 부품을 보여줍니다. 이러한 특정 인쇄물은 재료 표에 나열된 두 프린터를 사용하여 제작되었습니다. 비용이 많이 드는 듀얼 압출기 프린터를 통해 듀얼 컬러 구성 요소를 생성할 수 있습니다. 여기서 본드의 중간점에서 색이 변하는 2색 수소 원자구조(도 2A). 도 2B의 모노 컬러 수소는 스며들 쉴드 구조의 부재와 활성 압출기 사이의 전환에 대한 폴리머 후퇴부족으로 인해 약 50\u201260% 더 적은 시간으로 인쇄됩니다. 조립된 사이클로헥산구조(도 2C)는기능적으로 동등하지만 이중 압출기 인쇄물은 적당히 더 세련된 것처럼 보입니다.
도 2의 PLA 모델은 프린터에서 바로 ABS 모델보다 더 세련된 합리적으로 좋은 마무리를 가지고(그림 3A). 아세톤을 가진 ABS 모델의 화학적 치료는 표면에 젖은 모양(도3B)을거의 제공하는 부드럽고 높은 광택 마감을 제공합니다. 이러한 마무리는 특히 ABS 모델이 잘 어란하지 않은 경우 번거로워질 수 있습니다. ABS로 인쇄된 대형 모델은 레이어 분리 결함에 취약합니다. 층 분리 결함은 압출기가 다음 레이어를 내려 놓기 전에 이전 레이어가 냉각될 때 발생합니다. 대형 ABS 인쇄는 프린터의 난방 침대 주변 환경이 냉각 속도를 늦추기 위해 균일하고 따뜻한 온도에 남아 있는 것이 매우 중요합니다. 레이어 결함이 있는 프린트가 아세톤에 잠긴 경우 아세톤이 모델에 들어가 내부 지지 구조를 녹입니다. 이렇게 하면 그림 3C에표시된 대로 내부에서 모델이 축소됩니다.
시각적으로 뚜렷한 모양은 모델 구조의 기능에 보조적입니다. 커넥터는 단일 결합에 대한 자유로운 회전을 가능하게 하도록 설계되었습니다. 서로 다른 시스템에서 유틸리티를 테스트하기 위해 탄소 원자 직경이 17.5mm, 35mm, 70mm 및 112mm에서 실행되는 4가지 부품 크기 세트가 인쇄되었습니다. 조립된 사이클로헥산구조(도 4)는모두 동일한 방식으로 관련 순응을 구부리고 왜곡하고 채택할 수 있었다. 이러한 모델 중 가장 작은 것은 결함을 인쇄하는 경향이 가장 작기 때문에 이 크기는 잠재적으로 너무 작아지며 부품의 상대적 크기를 조정하지 않고 권장하지 않습니다. 작은 인쇄의 주요 장점 중 하나는 인쇄 속도입니다. 가장 큰 크기의 단일 탄소 원자에 필요한 10h에 비해 약 2 h로 인쇄된 가장 작은 탄소 원자 6개 배열입니다. 인쇄 속도가 느리지만, 큰 모델은 멀리서 작은 구조의 움직임을 보기 어려운 강의 설정에서 통신에 더 효과적입니다.
그림 4: 모델은 다양한 스케일에서 작동합니다. 모델을 다양한 용도로 인쇄할 수 있는 방법을 설명하기 위해 사이클로헥산 모델은 네 가지 비늘로 조립되었으며 모두 동일한 기능을 유지했습니다. 가장 큰 탄소 원자는 소프트볼(직경 112mm)보다 크며, 가장 작은 사이클로헥산의 조립된 사이클로헥산은 소프트볼 내에 들어갈 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
동적 측면은 이러한 구조를 다른 인쇄 가능한 분자 모델과 분리하는 주요 특성 중 하나입니다. 원자가 서로 에 대해 쉽게 회전할 수 있기 때문에 구조가 왜곡되어 사이클로헥산의 다른 대표 순응체로 스냅될 수 있습니다. 도 5는 각 구성 공간 간의 상호 변환을 위한 의자, 보트 및 전환 상태 구조를 나타낸다. 이 전환 상태 포인트에는 거의 평면 형상24,,28,B3LYP/6-311+G(2d,p) 계산29를수행하는 동일한 전환 상태 구조에서 4개의 라벨이 붙은 탄소 원자가 있습니다. 동일한 전환 상태 가상 주파수 모션에 따라, 약간 2 위와 3 아래로 비틀어 보트 conformer 풍경으로 모델을 스냅, 약간 2 아래로 3 위로 비틀어 동안 의자 conformer에 구조를 반환합니다.
그림 5: 사이클로헥산 의 순응체는 완전히 액세스할 수 있습니다. 원자가 그들의 채권에 대해 회전 할 수 있기 때문에 모델은 sterically 잠긴 의자와 더 형성적으로 자유로운 보트 형태를 채택 할 수 있습니다. 이 양식 사이 전이 상태는 고리에 있는 4개의 거의 coplanar 탄소 원자를 관련시킵니다. 가볍게 2위로 3아래로 비틀면 모델이 보트 컨포머에게 미끄러지며, 2를 3위로 비틀면 모델을 의자 원포로 되돌려 보냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
B3LYP/6-311+G(2d,p)의 상태 포인트 자유 에너지추정치(보조 표 S1)는최적화된 상태 포인트(보충파일 S6\u2012S9)의계산을 통해 298.15K의 열 에너지에 매우 가까운 0.8kcal/mol의 트위스트 보트와 보트 순응체 사이의 간격을 부여합니다. 이것은 이들 사이의 변환이 거의 자유롭게 샘플링해야한다는 것을 시사한다. 의자 conformer와 상호 전환 상태 사이의 간격은 이 값의 10배 이상이며, 이는 의자가 이에 비해 변형적으로 고정되어야 한다는 것을 나타냅니다. 이는 각탄소 원자 위치가 고리 평면을 상대적으로 가전 기체 분자 역학 계산30,31의과정을 통해 구체에 격자 투영될 때 추정평균 원포 에너지를나타낸다. 왼쪽의 의자 콘포어에서는 탄소 원자가 링 평면 위 또는 아래로 변위될 때 에너지가 낮지만 링 플레인과 일치하도록 대체하면 급격히 증가합니다. 보트 conformer에서, conformer 에너지는 탄소가 링 플레인 (트위스트 보트 상태)에있을 때 상대적으로 낮으며, 더 높은 변위 보트 conformer는 크게 높은 에너지에 있지 않습니다. 이러한 구성 풍경은 3D 프린팅 사이클로헥산 모델로 탐구할 수 있으며, 의자 콘페머는 로컬로 진동할 수 있는 반면, 보트 컨포머는 반대 카본 원자 한 쌍에서 다음 단계로 원활하게 분리할 수 있습니다.
그림 6: 모델 동작은 계산과 일치합니다. 의자 및 보트 con매종 상태에서, 분자 역학 계산의 과정을 통해 링 플레인에 대한 탄소 원자의 latitinal 변위는 둘러싸는 구의 표면에 투사될 수 있다. 의자 형태는 가장 활발하게 안정되어 있지만, 잠겨 있으며 높은 에너지 전환 상태를 통과하여 반전된 형태로만 상호 변환할 수 있습니다. 계산과 인쇄된 모델 유연성 모두 보트와 트위스트 보트 순응체가 298.15 K에서 1kBT에 가깝게 분리되어 이 형태로 탄소 원자의 거의 자유로운 latitinal 변위를 허용함을 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
보충 표 S1: 상태 포인트 자유 에너지 추정. 이 테이블을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
이 연구의 주요 목적은 상품 3D 프린터로 동적 분자 모델의 제작을위한 프로토콜을보고하는 것입니다. 이러한 프린터는 점점 더 접근 가능해지고 있으며, 종종 도서관, 학교 및 기타 장소에서 무료로 사용할 수 있습니다. 시작하려면 인쇄할 모델과 사용할 재료에 대한 선택을 하고 이러한 옵션을 선택하는 것은 창의적인 적재 제조가 연구 및 교육을 위해 무엇을 할 수 있는지에 대한 영감을 필요로 할 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 몇 가지 실용적인 재료 권장 사항, 제안된 모델 부품, 3D 프린팅 프로토콜 및 예제 응용 프로그램을 제공하며, 각 응용 프로그램은 추가 논의를 보증합니다.
3D 프린팅에 사용하기 위해 열가소성 플라스틱의 많은 선택이 있습니다. 이 세 가지 재료는 현재 가장 널리 사용할 수 있는 3D 프린팅으로 제시된 프로토콜의 세 가지를 강조합니다. 선택 선택은 사용 가능한 3D 프린터에서 지원하는 재료에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어 많은 개방형 액세스 시설은 환경 제약 으로 인해 PLA로만 인쇄됩니다. PLA는 온화한 온도 설정을 가진 인쇄 프로토콜을 가진 생분해성 퇴비성 물질입니다. ABS와 PETG 는 환경 친화적이지 않고 일반적으로 재활용할 수 없지만 PETG는 재활용성이 높은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 기반으로 하며 결국 PET와 같은 광범위한 퍼짐 재처리를 볼 수 있습니다. 지속 가능한 인쇄 관행은 인쇄 품질과 인쇄 성공을 보장하기 위해 한 번에 몇 가지 부품을 인쇄하는 것을 포함할 것이며, 이는 폐기된 재료(지지 구조, 뗏목, 스워즈 쉴드 등)를 가능한 한 적게 사용합니다. PLA는 부서지기 쉽기 때문에 사용 가능한 경우 ABS 및 PETG 열가소성 플라스틱은 기계적으로 탄력성이 있고 각각 층 접착력을 향상시키는 인쇄물을 초래할 수 있습니다. 이러한 특성은 실험실 또는 교실 설정에서 정기적인 조작을 볼 수 있는 대화형 분자 모델에 적합할 수 있습니다.
여기에 제시된 모델은 이러한 고려 사항을 고려하지만 먼저 동적 분자 모델 구성을 가능하게 하기 위해 함께 작동하도록 설계되었습니다. 기본 척도에서 대화형 분자 구조로 성공적으로 조립됩니다. 연결 갈래가 더 큰 크기로 왜곡되기 쉽기 때문에 어셈블리는 더 많은 힘이 필요하지만 큰 모델로 쉽게 확장할 수 있습니다. 부품을 축소하면 탄소 원자 모델을 48\u201249%로 축소하는 동시에 접합 및 수소 원자를 50%로 유지하면서 PLA 인쇄의 부품 간의 긴밀한 연결을 가능하게 하는 등 크기가 50% 감소합니다. 이 작은 모델은 더 섬세하며 종종 뗏목 구조가 성공적으로 인쇄해야하지만 동적 분자 모델로 여전히 기능적입니다.
열가소성 재료와 인쇄할 모델이 3D 프린팅 프로토콜의 두 가지 가장 중요한 측면입니다. 선택한 열가소성 플라스틱은 온도, 접착, 어닐링 및 마무리 고려 사항 및 옵션을 지시합니다. 사용 가능한 3D 프린터에 온수 침대가 없는 경우 PLA는 부품을 재현가능하게 인쇄할 수 있는 열가소성 선택 중 하나일 뿐입니다. 제공된 부품은 서로 다른 열가소성 플라스틱으로 재현적으로 인쇄하고 동적 조작을 유지하도록 설계되었지만, 인쇄물은 스트레스가 증가하는 상황에서 인쇄 층 사이에 종종 사용 및 균열으로 저하됩니다. 이러한 상황에서는 교체 부품을 인쇄하는 것이 쉽고 비교적 비용 효율적입니다.
제공된 모델에서 인쇄된 분자 어셈블리의 동적 기능은 연결 및 본딩 유형을 주로 강조하는 다른 사용 가능한 및 3D 인쇄 가능한 모델과 이 작업을 차별화합니다. 동적 측면은 사이클로헥산 구조의 예제와 함께 작은 부분으로 제시된다. 사이클로헥산의 구성 환경은 이러한 모델을 사용하여 직접 액세스할 수 있으며 이러한 풍경의 토폴로기는 일반적으로 전산 조사와 일치합니다. 이 것의 대부분은 분자 기하학의 세부 사항및 이러한 물리적 모델링 구성 요소의 자유도에 대한 존중에서 비롯됩니다. α -나선1의구조를 발견하는 성공에 대한 α라이너스 폴링의 논평에서, 그들은 그들의 동시대인들이 이상주의적 일체적 가정에서 오는 어려움에 직면하고 "... 단순한 물질에 대한 우리의 조사에 따르면, 공각 된 아미데 그룹의 원자 간 거리, 결합 각도 및 평면성에 대한 요구 사항에 대한 대략적인 근사치만 가능합니다." 이러한 라인을 따라 더 많은 정량적 통찰력은 이러한 모델 부품을 구축하는 데 고려 사항보다 더 구체적인 세부 사항을 필요로하지만, 이러한 모델과 권장 사항은 분자 시스템의 일반적인 대화 형 물리적 조사를위한 기초를 제공합니다. 이러한 모델은 이 보고서 이전에 몇 년 동안 연구 및 아웃리치 활동을 위해 생산해 온 3D 인쇄 가능한 모델 키트의 확장이며, 이러한 모델과 설명된 프로토콜과 호환되는 추가 구성 요소 부품은 저자로부터 보다 다양한 결합 준비 및 동적 작업을 가능하게 합니다.
Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 작품은 그랜트 번호에서 국립 과학 재단 (NSF)에 의해 지원되었다. CHE-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
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