Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
1. Voorbereiding van modelbestanden voor 3D-printen
OPMERKING: Het grote aantal 3D-printers en gratis en commerciële printsoftware maken exacte aanwijzingen buiten het bereik van dit artikel. Het algemene protocolproces en de aanbevelingen worden hier verstrekt, met specifieke overwegingen die worden gegeven voor representatieve modellen die met de vermelde software en 3D printers worden getoond (zie Lijst van Materialen). Speciale fabrikantaanwijzingen die specifiek zijn voor de printer van een lezer en de combinatie van snijsoftware hebben voorrang op de verstrekte aanbevelingen.
- Download de aanvullende stereolithografie (.stl) bestanden die zijn gekoppeld aan dit artikel (Aanvullende bestanden S1\u2012S5). Upload deze bestanden naar de computer met het slicer-programma.
- Importeer een van de C_atom_sp3-, H_atom- of C-C_bond-bestanden in het slicer-programma. Gebruik de millimeternotatie voor de eenheden als er een optie beschikbaar is. Klik in de software op de knop Importeren van het deelvenster Modellen van het hoofdvenster of selecteer de opdracht Modellen importeren onder het menu Bestandsintrekdown. Selecteer het juiste modelbestand in de resulterende bestandsbrowser.
- Importeer zowel H_atom_dual_bottom als H_atom_dual_top bestanden voor dubbele extruderprints van het waterstofatoom. Lijn uit, groepeer en wijs de componentmodellen toe aan de relevante extruder op basis van de kleur van de doelgloed.
- Schaal het geïmporteerde model naar de gewenste grootte. Dubbelklik hiervoor op het grafische model in het hoofdscherm of op het vermelde model in het deelvenster Modellen van het hoofdvenster. Met deze actie wordt een deelvenster voor het bewerken van modellen geopend dat vertaling, rotatie en schaling van het doelmodel mogelijk maakt. Representatieve modellen worden gepresenteerd voor 50%, 100%, 200% en 320% schaal voor alle onderling verbonden onderdelen.
- Activeer ondersteuningsstructuren voor C_atom_sp3 modellen met schalen groter dan 100%. Ondersteuningsstructuren kunnen worden gebruikt, maar zijn over het algemeen niet nodig voor alle andere modellen.
- Activeer een vlot- of randstructuur voor 100% en kleinere schaalmodellen. Dergelijke structuren moeten niet nodig zijn voor de meeste grotere modellen, omdat de vlakke basis voldoende contact zal hebben met het bedoppervlak om vast te blijven zitten. Vlotten helpen een goed aangehangen eerste laag te leveren voor een 3D-print, dus als er problemen zijn met de stabiliteit van de eerste geprinte laag op elke schaal, kan het activeren van een vlotstructuur leiden tot meer succesvolle afdrukken ten koste van het materiaal dat nodig is voor de vlotstructuur.
- Dubbele modellen om naar wens een reeks modellen te genereren door de optie Modellen dupliceren te selecteren in het menu Bewerken en het aantal modelonderdelen in het resulterende dialoogvenster in te voeren. Schik het model(en) in de buurt van het midden van het buildplatform door te klikken op de knop Centreren en Schikken in het deelvenster Modellen van het hoofdvenster of door de optie Centrum en Schikken te selecteren onder het menu Pulldown bewerken.
OPMERKING: Zie figuur 1 voor een voorbeeldopstelling van zes C_atom_sp3 modellen bedrukt met polymelkzuur (PLA). Het is het veiligst om een enkel onderdeel tegelijk af te drukken, hoewel het afdrukken van meerdere kleine delen van dezelfde kleur meestal tijdefficiënter is. De afdrukkwaliteit van onderdelen in arrays is vaak lager vanwege de behoefte aan meer filament retraction punten tussen modellen. Array afdrukken van modellen hebben ook een verhoogde kans op falen als een gevallen deel tijdens het afdrukken kan interfereren met het afdrukken van andere onderdelen.
Figuur 1: Like-gekleurde atomen of bindingen kunnen worden afgedrukt als arrays. Om de afdrukefficiëntie te verhogen tegen een geringe kwaliteitskosten, worden delen van de kleuren gemakkelijk afgedrukt in arrays. Hier worden zes PLA carbon atomen samen geprint, elk geplaatst op een kleine vlotstructuur met een randstructuur. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
- Stel de juiste modelverwerkingsinstellingen in voor doelafdrukken met Procesinstellingen toevoegen of bewerken vanuit het deelvenster Processen van het hoofdvenster.
OPMERKING: De gebruikte software heeft selecteerbare standaardverwerkingsinstellingen voor PLA, ABS en andere beschikbare thermoplasten bij het toevoegen van een nieuw proces of het bewerken van een proces door respectievelijk te klikken op de instellingen toevoegen of bewerken in het deelvenster Processen van het hoofdvenster. De specifieke aanpassingen en de reden voor de verstrekte moleculaire modeldelen volgen.- Stel de infillwaarde van het model in tussen 15% en 25%. Dit zal minder filament gebruiken en resulteren in lichtere delen, maar de uiteindelijke geassembleerde structuren zullen sterk genoeg zijn om fysieke manipulatie te overleven.
- Gebruik 100% infill-instellingen voor de verbindingsgebieden van C-C_bond en H_atom modelonderdelen indien mogelijk of indien nodig om de duurzaamheid van connectortabbladen te verhogen.
- Kies een afdruklaagdikte van 0,2 mm of kleiner om de afdrukdetails te behouden.
- Stel de eerste laagsnelheid in op een waarde tussen 25 en 50% op het tabblad Laag van de procesinstellingen. Een langzaam geprinte eerste laag zal de hechting aan het printbed verbeteren en zal resulteren in meer succesvolle algemene 3D-prints.
- Stel de temperatuur van de printerextruder en het printerbed in op waarden die worden aanbevolen voor het gekozen printergloeimateriaal. De aanwezige temperaturen zijn uitgangspunt aanbevelingen.
- Stel voor PLA Extruder in = 215 °C; Bed = Geen verwarming.
- Voor polyethyleentereftalaat glycol-gemodificeerde (PETG) set Extruder = 235 °C, en Bed = 80 °C.
- Voor acrylonitril butadieen styreen (ABS) set Extruder = 245 °C en Bed = 110 °C.
- Gebruik voor C_atom_sp3 modelonderdelen twee contouren/omtrekspensies met een omtrekrichting 'Buiten-in' om afdrukvervorming onder in de bol te minimaliseren. Deze opties zijn beschikbaar op het tabblad Laag van het venster Procesinstellingen. Voor alle andere onderdelen wordt de "Inside-Out" Contour Direction aanbevolen voor een schonere oppervlakteafwerking.
- Als u een dubbele extruderafdruk van de uitgelijnde H_atom_dual_bottom en H_atom_dual_top modellen uitvoert, schakelt u optioneel een ooze-schildoptie in. De snijmachine genereert dan een dunne wandgeometrie rond het model die een druipend polymeer van de inactieve, maar nog steeds hete, extruderpunt zal vangen.
- Snijd het model in afdruklagen om een gereedschapspad met G-code te genereren. Klik op de knop Voorbereiden om af te drukken in het hoofdvenster of selecteer de optie Voorbereiden op afdrukken onder het menu Pulldown bewerken.
2. Bereiding van de printer voor het afdrukken van onderdelen
- Bedek het oppervlak van het printerbed met blauwe schilderstape voor onverwarmde bedden. Bekleed het oppervlak van het printerbed met blauwe schilderstape en een onderlaag van polyimidetape voor verwarmde bedden.
- Breng een dun laagje lijmstok aan op de tape van de blauwe schilder. Lijm stick polymeer zal verbeteren print hechting aan het bed oppervlak.
- Plaats of sluit een geventileerde behuizing over het printerbed. Een behuizing minimaliseert luchtstromen die het afdrukken van annealing kunnen verstoren.
- Open voor PLA alle ventilatiepoorten, omdat snelle koeling de voorkeur heeft. Schakel indien mogelijk een bedventilator aan tijdens het printen.
- Open voor PETG een beperkt aantal ventilatiepoorten, omdat geleidelijke koeling de voorkeur heeft. Een bedventilator is niet nodig tijdens het printen.
- Open bij ABS een minimum aantal ventilatiepoorten, omdat zeer geleidelijke koeling de voorkeur heeft. Bedventilatoren uitschakelen tijdens het afdrukken.
- Zodra de printer is voorbereid, klikt u op de knop 'Begin afdrukken via USB' om de G-Code naar de aangesloten printer te sturen en het afdrukproces te starten.
3. Afwerking en montage van modelstructuren
- Verwijder onderdelen uit het printerbed. Verwijder in het geval van verwarmde bedafdrukken onderdelen nadat het bed is afgekoeld om te voorkomen dat het model tijdens de scheiding wordt vervormd.
- Verwijder vlot- of randstructuren van de basis van onderdelen indien gebruikt. Wrijf de basis van het model deel met medium tot fijn grit schuurpapier om de resterende aangesloten vlot filamenten te verwijderen.
- Zand de basis van de C_atom_sp3 modeldelen met medium (120 grit) tot zeer fijn (320 grit) schuurpapier om oppervlaktedefecten te verwijderen. Maak het oppervlak glad met het zeer fijne schuurpapier. Polijst het oppervlak naar de gewenste afwerking met een polijstdoek of bufferwiel bij lage omwenteling per minuut.
OPMERKING: Bijvoorbeeld, een Dremel tool met een 0,5-inch diameter buffer wiel ingesteld op 10.000 rpm kan worden gebruikt voor polijsten, waarbij ervoor wordt gezorgd dat niet te warmen de print en veroorzaken oppervlakte gebreken.- PLA: Prints hebben meestal een licht glanzende afwerking na het afdrukken, zoals weergegeven in de panelen van figuur 2. Deze afwerking wordt ontsierd door grof schuren, maar de glanzende afwerking kan worden hersteld met polijsten.
- PETG: Prints hebben meestal een licht glanzende afwerking die kan worden geschuurd en gerestaureerd met polijsten zoals bij PLA.
- ABS: Prints hebben meestal een matte of slechts marginaal glanzende afwerking na het afdrukken(figuur 3A). Een hoogglans afwerking(figuur 3B) kan worden bereikt door de onderdelen afzonderlijk in een acetonbad voor 1\u20122 s te dompelen en ze in een geventileerde ruimte te plaatsen totdat de aceton is verdampt en het oppervlak is gestold binnen typisch 12\u201224 h.
LET OP: Aceton is ontvlambaar en moet spaarzaam worden aangebracht in een rookkap of zeer goed geventileerde ruimte. ABS lost op in aceton, zodat delen met laagscheidingsdefecten als gevolg van slechte annealing niet met vloeibare aceton moeten worden behandeld. Aceton zal modellen invoeren door middel van dergelijke gebreken en het oplossen van het model infill(Figuur 3C). Polijsten met acetondamp is een langzamer proces dat zal resulteren in een vergelijkbaar effect, hoewel veiligheidsmaatregelen moeten worden genomen gezien de ontvlambaarheid van aceton.
Figuur 2: Dubbele extruderprints kunnen visueel verfijnder worden. (A) Dual extruder model waterstof atoom prints zijn visueel meer samenhangend dan (B) alle witte model waterstof atoom prints. (C) Wanneer de geassembleerde PLA-modellen functioneel identiek zijn, zijn ze met elkaar verbonden om volledige cyclohexaanringen te vormen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: ABS-modellen kunnen chemisch worden verwerkt voor een glanzende afwerking. (A) ABS model prints hebben de neiging om een meer diffuse of matte uitstraling hebben, maar (B) na de chemische behandeling van de onderdelen met een korte dip in aceton krijgen ze een hoogglans afwerking. (C) Als aceton het interieur van de afdruk binnenkomt door laagscheidingsdefecten, lost de aceton het model van binnenuit op, waardoor het instort. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
- Voeg connectoreinden van C-C_bond en H_atom onderdelen in sockets op C_atom_sp3 modelonderdelen volgens de gewenste hechtingstopologie. Knijp modelonderdelen samen tot een hoorbare klik wordt gehoord. Eenmaal aangesloten, moet de enkele band vrij draaien over deze verbinding zonder uit elkaar te vallen.
OPMERKING: De verbindingspast is strak, dus dit kan aanzienlijke kracht vereisen voor modellen met schaalvergroting van meer dan 100%. De meegeleverde onderdelen zijn niet bedoeld om te worden gescheiden na het aansluiten van hen samen, maar ze kunnen worden gescheiden met een zeer significante toegepaste kracht. Rotatie over een verbonden binding is een gewenste functie voor de geleverde onderdelen en modellen. Vergrendelingsrotatie vereist een atoommodel (bijvoorbeeld een sp2-gehybridiseerde koolstof) met een vaste structuur in de verbindingsaansluiting die tussen de afstanden van de tabbladen aan het einde van het bindingsmodel invoegt. - Monteer alle geprinte onderdelen volgens de gewenste moleculaire structuur. Verzadig alle C_atom_sp3 modelonderdelen door een open socket te vullen met een H_atom modelonderdeel. Voor een ring als cyclohexaan, sluit de ring met een C-C_bond model deel tussen C_atom_sp3 model onderdelen.
Representative Results
Het protocol omvat een verscheidenheid aan mogelijke opties voor interactieve moleculaire modelconstructie. Als een fundamenteel en verenigend voorbeeld voor een moleculaire assemblage met behulp van deze modelonderdelen, hebben we ervoor gekozen om interactieve cyclohexaanstructuren op verschillende schalen te monteren. Figuur 2 toont de onderdelen die nodig zijn voor deze structuur: zes C-atomen, zes C-C-bindingen en twaalf H-atomen. Deze specifieke prints zijn gemaakt met behulp van beide printers in de tabel van materialen. De duurdere dubbele extruderprinter maakt de productie van dual color componenten mogelijk; hier de tweekleurige waterstofatoomstructuren met de kleurverandering in het midden van de binding(figuur 2A). De mono-gekleurde waterstofs in figuur 2B print in ongeveer 50\u201260% minder tijd als gevolg van het ontbreken van een smurrie schild structuur en het ontbreken van polymeer intrekkingen bij het schakelen tussen actieve extruders. De geassembleerde cyclohexaanstructuren(figuur 2C)zijn functioneel gelijkwaardig, hoewel de dubbele extruderprints er meestal matig verfijnder uitzien.
De PLA-modellen in figuur 2 hebben een redelijk mooie afwerking die verfijnder is dan ABS-modellen direct van de printer(figuur 3A). Chemische behandeling van ABS-modellen met aceton geeft een gladde en hoogglans afwerking die het oppervlak bijna een natte uitstraling geeft(figuur 3B). Een dergelijke afwerking kan lastig zijn, vooral als ABS-modellen niet goed geannealed zijn. Grote modellen bedrukt met ABS zijn gevoelig voor laagscheidingsdefecten. Laagscheidingsdefecten gebeuren wanneer de vorige laag afkoelt voordat de extruder kan oversteken om de volgende laag neer te leggen. Voor grote ABS-prints is het van cruciaal belang dat de omgeving rond het verwarmingsbed van de printer op een gelijkmatige en warme temperatuur blijft om de koelsnelheid te vertragen. Als een afdruk met een laagdefect in aceton wordt ondergedompeld, komt de aceton in het model en lost de interieurondersteuningsstructuur op. Hierdoor wordt het model van binnenuit samengevouwen, zoals weergegeven in figuur 3C.
Een visueel onderscheiden uiterlijk is ondergeschikt aan de functionaliteit van de modelstructuren. De connectoren zijn ontworpen om vrije rotatie over enkele obligaties mogelijk te maken. Om hun nut in verschillende systemen te testen, werden vier verschillende sets van deelmaten bedrukt, met de koolstofatoomdiameter van 17,5 mm, 35 mm, 70 mm en 112 mm. De geassembleerde cyclohexaanstructuren (figuur 4) waren allemaal in staat om te buigen, te vervormen en relevante conformeren op dezelfde manier vast te stellen. De kleinste van deze modellen was het meest gevoelig voor print gebreken, waardoor deze grootte potentieel te klein en niet aanbevolen zonder tweaken van de relatieve grootte van de onderdelen. Een van de belangrijkste voordelen voor de kleinere prints is de snelheid van het afdrukken. Een array van zes van de kleinste koolstofatomen gedrukt in ongeveer 2 uur, in vergelijking met de 10 uur die nodig is voor een enkel koolstofatoom van de grootste omvang. Hoewel langzaam af te drukken, grote modellen zijn potentieel effectiever voor communicatie in de lezing instellingen waar het moeilijk zou zijn om de beweging van een kleine structuur te zien van een afstand.
Figuur 4: Modellen zijn functioneel op verschillende schalen. Om te illustreren hoe de modellen voor verschillende doeleinden kunnen worden afgedrukt, werden cyclohexane modellen op vier verschillende schalen geassembleerd en behouden ze allemaal dezelfde functionaliteit. De koolstofatomen van de grootste zijn groter dan een softbal (112 mm diameter), terwijl de geassembleerde cyclohexaan van de kleinste zou passen in een softbal. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Het dynamische aspect is een van de belangrijkste kenmerken die deze structuren scheiden van andere afdrukbare moleculaire modellen. Aangezien de atomen gemakkelijk ten opzichte van elkaar kunnen draaien, kunnen de structuren worden vervormd om in de verschillende representatieve conformisten van cyclohexaan te klikken. Figuur 5 toont de stoel, boot en de overgangsstatusstructuur voor interconversie tussen hun respectieve configuratieruimten. Dit overgangsstaatspunt heeft vier gelabelde koolstofatomen in een bijna vlakke geometrie24,28, dezelfde overgangstoestandstructuur die men bereikt door het doen van B3LYP/6-311+G(2d,p) berekeningen29. Na dezelfde overgangstoestand denkbeeldige frequentie beweging, iets draaien 2 omhoog en 3 naar beneden zal snap het model in de boot conformer landschap, terwijl iets draaien 2 naar beneden en 3 omhoog zal de structuur terug te keren naar de stoel conformer.
Figuur 5: Conformeren van cyclohexaan zijn volledig toegankelijk. Als de atomen kunnen draaien over hun banden, kunnen de modellen de sterically vergrendelde stoel en meer conformationally vrije boot vormen vast te stellen. De overgangstoestand tussen deze vormen omvat vier bijna coplanaire koolstofatomen in de ring. Licht draaien 2 omhoog met 3 naar beneden zal het model slip aan de boot conformer, terwijl draaien 2 naar beneden met 3 omhoog zal het model terug te keren naar de stoel conformer. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
De schattingen van het state point free energy(Aanvullende tabel S1) van B3LYP/6-311+G(2d,p) berekeningen van geoptimaliseerde state points (Aanvullende bestanden S6\u2012S9) geven een kloof tussen de twist-boot en boot conformers van 0,8 kcal/mol, die zeer dicht bij thermische energie op 298.15 K. Dit suggereert dat de conversie tussen deze moet bijna vrij monster. De kloof tussen de stoel conformer en interconversie overgang staat is meer dan tien keer deze waarde, wat aangeeft dat de stoel moet worden conformationeel vergrendeld in vergelijking. Dit wordt geïllustreerd in figuur 6, die de geschatte gemiddelde conformere energie weergeeft wanneer elke koolstofatoomlocatie ten opzichte van het ringvlak latitudinaal op een bol wordt geprojecteerd in de loop van een moleculaire dynamicaberekening30,31. In de stoel conformer aan de linkerkant, de energie is laag wanneer de koolstofatomen worden verplaatst boven of onder de ring vliegtuig, maar het hellingen dramatisch als ze verplaatsen om uit te lijnen met de ring vliegtuig. In de boot conformer, de conformer energie is relatief laag wanneer koolstof in de ring vliegtuig (twist-boot staat), en de meer hoogst ontheemde boot conformer is niet op een drastisch hogere energie. Deze configuratie landschappen kunnen worden verkend met de 3D-geprinte cyclohexaan modellen, met de stoel conformer alleen in staat om lokaal te trillen, terwijl de boot conformer kan soepel golven van het ene paar tegenovergestelde koolstofatomen naar de volgende.
Figuur 6: Modelgedrag komt overeen met berekeningen. In de stoel- en bootconformertoestanden kan de latitudinale verplaatsing van koolstofatomen over het ringvlak in de loop van een moleculaire dynamicaberekening worden geprojecteerd op het oppervlak van een omsluitende bol. Terwijl de stoelvorm het meest energetisch stabiel is, is het vergrendeld en kan het alleen doorconverteren naar de omgekeerde vorm door een hoge energietransitiestaat te doorlopen. Zowel berekeningen als geprinte modelflexibiliteit geven aan dat de boot- en twistbootconformers met 298,15 K worden gescheiden door bijna 1 kBT, waardoor de bijna vrije latitudinale verplaatsing van koolstofatomen in deze vorm mogelijk is. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Aanvullende tabel S1: Schattingen van staatspuntenvrije energie. Klik hier om deze tabel te downloaden.
Aanvullend dossier 1. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend dossier 2. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend dossier 3. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend dossier 4. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend dossier 5. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend dossier 6. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend dossier 7. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend dossier 8. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend dossier 9. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Discussion
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.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door de National Science Foundation (NSF) in het kader van Grant No. 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
- 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).
