Summary
La modélisation physique des systèmes microscopiques permet d’obtenir des informations qui sont difficiles à obtenir par d’autres moyens. Pour faciliter la construction de modèles moléculaires physiques, nous démontrons comment l’impression 3D peut être utilisée pour assembler des modèles macroscopiques fonctionnels qui capturent les qualités des systèmes moléculaires d’une manière tactile.
Abstract
Avec la croissance de l’accessibilité de l’impression 3D, il y a eu une application croissante et un intérêt pour les procédés de fabrication additive dans les laboratoires chimiques et l’éducation chimique. S’appuyant sur la longue et fructueuse histoire de la modélisation physique des systèmes moléculaires, nous présentons certains modèles ainsi qu’un protocole pour faciliter l’impression 3D de structures moléculaires capables de faire plus que représenter la forme et la connectivité. Les modèles assemblés tels qu’ils sont décrits intègrent des aspects dynamiques et des degrés de liberté dans les structures d’hydrocarbures saturés. À titre d’exemple représentatif, le cyclohexane a été assemblé à partir de pièces imprimées et finies à l’aide de différents thermoplastiques, et les modèles qui en résultent conservent leur fonctionnalité à une variété d’échelles. Les structures qui en résultent montrent l’accessibilité de l’espace de configuration compatible avec les calculs et la littérature, et les versions de ces structures peuvent être utilisées comme aides pour illustrer des concepts qui sont difficiles à transmettre d’autres façons. Cet exercice nous permet d’évaluer avec succès les protocoles d’impression, de formuler des recommandations pratiques pour l’assemblage et de définir les principes de conception pour la modélisation physique des systèmes moléculaires. Les structures, les procédures et les résultats fournis fournissent une base pour la fabrication et l’exploration individuelles de la structure moléculaire et de la dynamique avec l’impression 3D.
Introduction
La construction de structures moléculaires a longtemps été un aspect essentiel pour la découverte et la validation de notre compréhension de la forme et des interactions entre les molécules. La construction physique de modèle a été un aspect motivant dans la détermination de la structure α-helixdans les protéines par Pauling et al.1, les structures primaires d’hydrate de clathrate de l’eau2,3, et la structure à double hélice de l’ADN par Watson et Crick4. Dans le récit publié par James Watson de la structure de l’ADN, il détaille bon nombre des luttes rencontrées dans un tel bâtiment modèle, comme l’emballage d’un fil de cuivre autour des atomes de carbone modèle pour faire des atomes de phosphore, suspensions précairement délicates des atomes, et la fabrication de découpes en carton de bases en attendant sur les découpes de boîte de l’atelier de machine5. Ces luttes dans la construction de modèles ont été en grande partie corrigées par la modélisation computationnelle augmentant ou supplantant entièrement les approches physiques, bien que les modèles physiques restent un aspect essentiel dans l’éducation chimique et l’expérimentation6,7,8,9.
Depuis environ 2010, l’impression 3D a connu une croissance significative de l’adoption comme un outil pour la conception créative et la fabrication. Cette croissance a été tirée par la concurrence et la disponibilité d’une variété d’imprimantes de modélisation des dépôts fusionnés (FDM) provenant d’une série de nouvelles entreprises axées sur la commercialisation générale de la technologie. Avec l’accessibilité croissante, il y a eu une croissance simultanée dans l’application de ces technologies dans l’éducation de chimie et les arrangements expérimentaux de laboratoire10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Au cours de cette période, les dépôts commerciaux et ouverts des communautés pour les modèles 3D, tels que le NIH 3D Print Exchange22, ont rendu les systèmes de modèle pour l’impression 3D plus accessibles, bien que beaucoup de ces modèles tendent à être centrés sur des molécules cibles spécifiques et fournissent des structures statiques simples en mettant l’accent sur la connectivité et le type de liaison. Des groupes atomiques et moléculaires plus généraux peuvent permettre des constructions plus créatives12,23, et il y a un besoin de modèles qui peuvent permettre la création de structure générale avec la rétroaction tactile, dynamique, et la force sensible pour des structures moléculaires.
Ici, nous présentons des composants de structure de modèle moléculaire qui peuvent être facilement imprimés et assemblés pour former des modèles moléculaires dynamiques d’hydrocarbures saturés. Les structures de composants font partie d’une trousse plus large que nous avons développée pour les activités d’extension et de sensibilisation de notre laboratoire et de notre université. Les pièces fournies ont été conçues pour être imprimables avec une variété de types de filaments de polymère sur les imprimantes FDM 3D de base. Nous présentons les résultats du modèle à l’aide de différents polymères et techniques de finition provenant d’imprimantes FDM à double et double extrudeur. Ces composants sont évolutifs, permettant la fabrication de modèles adaptés à l’enquête personnelle et la démonstration dans de plus grands contextes de conférence.
L’objectif principal de ce rapport est d’aider d’autres chercheurs et éducateurs à traduire les détails et les connaissances de la structure chimique de manière plus physique grâce à l’impression 3D. À cette fin, nous mettons en évidence une application d’exemple en assemblant et manipulant le cyclohexane à différentes échelles. Les conformations du système d’anneau à six membres sont un sujet central dans les cours d’introduction de chimie organique24, et ces conformes sont un facteur dans la réactivité des structures d’anneau et de sucre25,26,27. Les modèles imprimés adoptent avec souplesse les conformateurs d’anneau de clé24, et la force nécessaire pour les voies d’interconversion d’anneau peut être directement explorée et qualitativement évaluée à la main.
Protocol
1. Préparation de fichiers modèles pour l’impression 3D
REMARQUE : Le grand nombre d’imprimantes 3D et de logiciels d’impression libres et commerciaux donnent des indications précises au-delà de la portée de cet article. Le processus de protocole général et les recommandations sont fournis ici, avec des considérations spécifiques données pour les modèles représentatifs présentés avec le logiciel répertorié et les imprimantes 3D (voir tableau des matériaux). Les directives spécifiques au fabricant spécifiques à l’imprimante d’un lecteur et à la combinaison de logiciels de découpage ont préséance sur les recommandations fournies.
- Téléchargez les fichiers stéréolithographiques supplémentaires (.stl) associés à cet article (Fichiers supplémentaires S1\u2012S5). Téléchargez ces fichiers sur l’ordinateur avec le programme slicer.
- Importez l’un des fichiers C_atom_sp3, H_atom ou C-C_bond dans le programme slicer. Utilisez le format millimétrique pour les unités si une option est disponible. Dans le logiciel, cliquez sur le bouton Importer du panneau Modèles de la fenêtre principale ou sélectionnez la commande Importer des modèles sous le menu retrait de fichier. Sélectionnez le fichier modèle approprié dans le navigateur de fichiers résultant.
- Importez des fichiers H_atom_dual_bottom et H_atom_dual_top pour les impressions à double extrudeur de l’atome d’hydrogène. Alignez, regroupez et affectez les modèles de composants à l’extrudeur pertinent en fonction de la couleur du filament cible.
- Échellez le modèle importé à la taille souhaitée. Pour cela, double-cliquez sur le modèle graphique de l’écran principal ou sur le modèle répertorié dans le panneau Modèles de la fenêtre principale. Cette action ouvre un panneau d’édition de modèle qui permet la traduction, la rotation et la mise à l’échelle du modèle cible. Les modèles représentatifs sont présentés pour 50%, 100%, 200% et 320% d’échelle pour toutes les pièces d’interconnexion.
- Activer les structures de support pour les modèles C_atom_sp3 avec des échelles supérieures à 100%. Les structures de support peuvent être utilisées mais ne sont généralement pas nécessaires pour tous les autres modèles.
- Activez une structure de radeau ou de bord pour des modèles à 100% et plus petites échelles. De telles structures ne devraient pas être nécessaires pour la plupart des modèles plus grands, car la base plate aura un contact suffisant avec la surface du lit pour rester fixé en place. Les radeaux aident à fournir une première couche bien adaptée pour une impression 3D, donc s’il y a des difficultés dans la stabilité de la première couche imprimée à n’importe quelle échelle, l’activation d’une structure de radeau pourrait mener à des impressions plus réussies au détriment du matériel nécessaire pour la structure de radeau.
- Dupliquer les modèles pour générer un tableau de modèles comme souhaité en sélectionnant l’option Modèles en double dans le menu Modifier et en entrant le nombre de pièces de modèle dans la boîte de dialogue résultante. Disposez les modèles près du centre de la plate-forme de génération en cliquant sur le bouton Centre et Organiser dans le panneau Modèles de la fenêtre principale, ou en sélectionnant l’option Centre et Disposition sous le menu De retrait Modifier.
REMARQUE : Voir la figure 1 pour un arrangement par exemple de six modèles C_atom_sp3 imprimés avec de l’acide polylactique (APL). Il est plus sûr d’imprimer une seule partie à la fois, bien que l’impression de plusieurs petites parties de la même couleur est généralement plus efficace dans le temps. La qualité d’impression des pièces dans les tableaux est souvent plus faible en raison de la nécessité de plus de points de rétraction de filament entre les modèles. Les impressions de tableau des modèles ont également une probabilité accrue de défaillance car une pièce tombée pendant l’impression peut interférer avec l’impression d’autres pièces.
Figure 1 : Les atomes ou les liaisons de couleur semblable peuvent être imprimés sous forme de tableaux. Pour augmenter l’efficacité de l’impression à un léger coût de qualité, des parties de couleur semblable sont facilement imprimées dans des tableaux. Ici, six atomes de carbone pla sont imprimés ensemble, chacun positionné sur une petite structure de radeau avec une structure de bord de délimitant. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
- Définissez les paramètres de traitement de modèle appropriés pour les impressions cibles à l’aide des paramètres de processus d’ajout ou d’édition à partir du panneau Processus de la fenêtre principale.
REMARQUE : Le logiciel utilisé dispose de paramètres de traitement par défaut sélectionnables pour PLA, ABS et autres thermoplastiques disponibles lors de l’ajout d’un nouveau processus ou de la modification d’un processus en cliquant respectivement sur ajouter ou modifier les paramètres de processus à partir du panneau Processus de la fenêtre principale. Des ajustements spécifiques et la justification des pièces du modèle moléculaire fournis suivent.- Définissez la valeur de remplissage du modèle entre 15 % et 25 %. Cela permettra d’utiliser moins de filament et de se traduire par des pièces plus légères, mais les structures assemblées finales seront assez fortes pour survivre à la manipulation physique.
- Utilisez des paramètres de remplissage à 100 % pour les régions de connecteur de C_bond C et H_atom pièces de modèle si possible ou si nécessaire pour augmenter la durabilité des onglets de connecteur.
- Choisissez une épaisseur de couche d’impression de 0,2 mm ou plus petite pour conserver les détails d’impression.
- Définissez la vitesse de première couche sur une valeur comprise entre 25 et 50 % dans l’onglet Calque des paramètres de processus. Une première couche imprimée lentement améliorera l’adhérence au lit d’impression et se traduira par des impressions 3D globales plus réussies.
- Réglez les températures de l’extrudeur d’imprimante et du lit d’imprimante sur les valeurs recommandées pour le matériau de filament d’imprimante choisi. Les températures fournies sont des recommandations de point de départ.
- Pour l’APL, réglez Extrudeur = 215 °C; Lit = Pas de chauffage.
- Pour l’extrudeur de polyéthylène téréphtalate glycol modifié (PETG) = 235 °C, et lit = 80 °C.
- Pour l’acrylonitrille butadiène styrène (ABS) ensemble Extruder = 245 °C et lit = 110 °C.
- Pour C_atom_sp3 pièces de modèle, utilisez deux coquilles contour/périmètre avec une direction de contour « à l’extérieur » pour minimiser la distorsion d’impression au bas de la sphère. Ces options sont disponibles à partir de l’onglet Calque de la fenêtre Paramètres du processus. Pour toutes les autres pièces, la direction de contour « n-éss », est recommandée pour une finition de surface plus propre.
- Si vous effectuez une double impression d’extrudeur des modèles alignés H_atom_dual_bottom et H_atom_dual_top, activez éventuellement une option de bouclier de suintement. Le slicer générera alors une géométrie de mur mince autour du modèle qui attrapera n’importe quel polymère dégoulinant de la pointe inactive, mais encore chaude, extrudeur.
- Coupez le modèle en couches d’impression pour générer un chemin d’outils G-Code. Cliquez sur le bouton Préparer l’impression! dans la fenêtre principale ou sélectionnez l’option Préparer à imprimer sous le menu De retrait Modifier.
2. Préparation de l’imprimante pour l’impression de pièces
- Enrobez la surface du lit d’imprimante de ruban bleu pour les lits non chauffés. Enrobez la surface du lit de l’imprimante de ruban bleu et d’une couche de ruban polyimide pour les lits chauffés.
- Appliquez une fine couche de colle sur le ruban du peintre bleu. Le polymère de bâton de colle améliorera l’adhérence d’impression à la surface du lit.
- Placez ou fermez un enclos ventilé au-dessus du lit de l’imprimante. Une enceinte minimise les courants d’air qui peuvent perturber l’anneaux d’impression.
- Pour l’APL, ouvrez tous les ports de ventilation car le refroidissement rapide est préférable. Allumez un ventilateur de lit pendant l’impression si possible.
- Pour PETG, ouvrez un nombre limité de ports de ventilation car le refroidissement graduel est préférable. Un ventilateur de lit n’est pas nécessaire pendant l’impression.
- Pour l’ABS, ouvrez un nombre minimum de ports de ventilation car le refroidissement très progressif est préférable. Éteignez les ventilateurs de lit pendant l’impression.
- Une fois l’imprimante préparée, cliquez sur le bouton « Commencer l’impression sur USB » pour envoyer le code G à l’imprimante connectée et commencer le processus d’impression.
3. Finition et assemblage des structures de modèle
- Retirez les pièces du lit de l’imprimante. Dans le cas d’impressions de lit chauffées, retirez les pièces après que le lit a refroidi pour éviter de déformer le modèle pendant la séparation.
- Retirez les structures de radeau ou de bord de la base des pièces si elles sont utilisées. Frotter la base de la pièce modèle avec du papier de verre de grain moyen à fin pour enlever les filaments de radeau attachés restants.
- Sabler la base du C_atom_sp3 pièces de modèle avec du papier de verre moyen (120 grains) à très fin (320 grains) pour éliminer les défauts de surface. Lisser la surface avec le papier de verre très fin. Polissez la surface à la finition désirée avec un chiffon de polissage ou une roue tampon à faible révolution par réglage minute.
REMARQUE : Par exemple, un outil Dremel avec une roue tampon de 0,5 pouce de diamètre réglée à 10 000 tr/min peut être utilisé pour le polissage, en prenant soin de ne pas chauffer trop l’impression et de causer des défauts de surface.- PLA : Les impressions ont généralement une finition légèrement brillante après l’impression comme indiqué dans les panneaux de la figure 2. Cette finition est entachée par le ponçage grossier, mais la finition brillante peut être restaurée avec le polissage.
- PETG: Les impressions ont généralement une finition légèrement brillante qui peut être poncée et restaurée avec le polissage comme avec PLA.
- ABS : Les impressions ont généralement une finition mate ou légèrement brillante après l’impression (Figure 3A). Une finition brillante (figure 3B) peut être obtenue en trempant séparément les pièces dans un bain d’acétone pour 1\u20122 s et en les plaçant dans une zone ventilée jusqu’à ce que l’acétone s’est évaporée et que la surface s’est solidifiée dans un rayon typiquement de 12\u201224 h.
ATTENTION : L’acétone est inflammable et doit être appliquée avec parcimonie dans un capot de fumée ou une zone très bien aérée. ABS se dissout dans l’acétone, de sorte que les parties avec des défauts de séparation de couche due à une mauvaise annelant ne doit pas être traitée avec de l’acétone liquide. L’acétone entrera dans les modèles par de tels défauts et dissoudra le remplissage du modèle (figure 3C). Le polissage avec de la vapeur d’acétone est un processus plus lent qui se traduira par un effet similaire, bien que des précautions de sécurité doivent être prises étant donné l’inflammabilité de l’acétone.
Figure 2 : Les impressions à double extrudeur peuvent être plus raffinées visuellement. (A) Les impressions d’atome d’hydrogène de modèle double extrudeur sont visuellement plus cohésives que (B) tous les impressions d’atome d’hydrogène de modèle blanc. (C) Lorsqu’ils sont reliés ensemble pour former des anneaux cyclohexane complets, les modèles PLA assemblés sont fonctionnellement identiques. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 3 : Les modèles ABS peuvent être traités chimiquement pour une finition brillante. (A) Impressions de modèle ABS ont tendance à avoir un aspect plus diffus ou mat, mais (B) après avoir chimiquement traiter les pièces avec un bref plongeon dans l’acétone, ils gagnent une finition brillante. (C) Si l’acétone pénètre à l’intérieur de l’impression par des défauts de séparation de couche, l’acétone dissoudra le modèle de l’intérieur vers l’extérieur, ce qui le fait s’effondrer. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
- Insérez les extrémités de connecteur de C-C_bond et H_atom les pièces de modèle dans les prises sur C_atom_sp3 pièces de modèle selon la topologie de liaison souhaitée. Serrez les pièces du modèle ensemble jusqu’à ce qu’un clic audible soit entendu. Une fois connecté, le lien unique doit tourner librement sur cette connexion sans s’effondrer.
REMARQUE : L’ajustement de connexion est serré, ce qui peut nécessiter une force significative pour les modèles dont la mise à l’échelle est supérieure à 100 %. Les pièces fournies ne sont pas destinées à être séparées après les avoir reliées ensemble, mais elles peuvent être séparées avec une force appliquée très importante. La rotation d’une liaison connectée est une caractéristique souhaitée pour les pièces et les modèles fournis. La rotation de verrouillage nécessite un modèle atomique (un carbone hybride sp2, par exemple) avec une structure fixe dans la prise de connexion qui s’insère entre les espacements des onglets à l’extrémité du modèle de liaison. - Assemblez toutes les pièces imprimées selon la structure moléculaire souhaitée. Saturer toutes les pièces C_atom_sp3 modèle en remplissant n’importe quelle prise ouverte avec une pièce modèle H_atom. Pour un anneau comme le cyclohexane, fermez l’anneau avec une pièce de modèle C-C_bond entre C_atom_sp3 pièces de modèle.
Representative Results
Le protocole fourni couvre une variété d’options potentielles pour la construction interactive de modèles moléculaires. Comme exemple de base et fédérateur pour un assemblage moléculaire utilisant ces pièces modèles, nous avons choisi d’assembler des structures interactives de cyclohexane à une variété d’échelles. La figure 2 montre les parties nécessaires à cette structure : six atomes C, six liaisons C-C et douze atomes H. Ces impressions spécifiques ont été réalisées à l’aide des deux imprimantes répertoriées dans le Tableau des matériaux. L’imprimante double extrudeur plus coûteuse permet la production de composants à double couleur; ici, les structures de l’atome d’hydrogène bicolore avec le changement de couleur au milieu de la liaison (Figure 2A). Les hydrogènes monocolores de la figure 2B impriment environ 50\u201260% moins de temps en raison de l’absence d’une structure de bouclier suintement et de l’absence de rétractations de polymère s’il s’agit de passer d’extrudeurs actifs à l’autre. Les structures cyclohexane assemblées (Figure 2C) sont fonctionnellement équivalentes, bien que les impressions à double extrudeur aient tendance à paraître modérément plus raffinées.
Les modèles PLA de la figure 2 ont une finition assez agréable qui est plus raffinée que les modèles ABS directement hors de l’imprimante (Figure 3A). Le traitement chimique des modèles ABS avec de l’acétone donne une finition lisse et haute brillance qui donne presque à la surface un aspect humide (Figure 3B). Une telle finition peut être gênante, surtout si les modèles ABS ne sont pas bien annealed. Les grands modèles imprimés avec ABS sont sujets à des défauts de séparation de couche. Les défauts de séparation des couches se produisent lorsque la couche précédente se refroidit avant que l’extrudeur puisse traverser pour poser la couche suivante. Il est d’une importance cruciale pour les grandes impressions ABS que l’environnement autour du lit chauffant de l’imprimante reste à une température uniforme et chaude pour ralentir le taux de refroidissement. Si une impression avec un défaut de couche est immergée dans l’acétone, l’acétone entrera dans le modèle et dissoudra la structure de support intérieur. Cela va effondrer le modèle de l’intérieur comme indiqué dans la figure 3C.
Une apparence visuellement distincte est secondaire à la fonctionnalité des structures du modèle. Les connecteurs ont été conçus pour permettre une rotation libre sur les liaisons uniques. Pour tester leur utilité dans différents systèmes, quatre ensembles différents de tailles de pièces ont été imprimés, avec le diamètre de l’atome de carbone allant de 17,5 mm, 35 mm, 70 mm et 112 mm. Les structures cyclohexane assemblées (figure 4) étaient toutes capables de fléchir, de déformer et d’adopter les conformateurs pertinents de la même manière. Le plus petit de ces modèles était le plus enclin aux défauts d’impression, ce qui rend cette taille potentiellement trop petite et non recommandée sans modifier la taille relative des pièces. L’un des principaux avantages pour les petites impressions est la vitesse d’impression. Un tableau de six des plus petits atomes de carbone imprimés en environ 2 h, par rapport aux 10 h requis pour un seul atome de carbone de la plus grande taille. Bien que lents à imprimer, les grands modèles sont potentiellement plus efficaces pour la communication dans les milieux de conférence où il serait difficile de voir le mouvement d’une petite structure à distance.
Figure 4 : Les modèles sont fonctionnels à diverses échelles. Pour illustrer comment les modèles peuvent être imprimés à des fins différentes, les modèles cyclohexane ont été assemblés à quatre échelles différentes et conservent tous la même fonctionnalité. Les atomes de carbone des plus grands sont plus grands qu’une balle molle (112 mm de diamètre) tandis que le cyclohexane assemblé du plus petit pourrait tenir dans une balle molle. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
L’aspect dynamique est l’un des attributs clés qui séparent ces structures des autres modèles moléculaires imprimables. Puisque les atomes peuvent facilement tourner les uns par rapport aux autres, les structures peuvent être déformées pour s’accrocher aux différents conformateurs représentatifs du cyclohexane. La figure 5 montre la chaise, le bateau et la structure de l’état de transition pour l’interconversion entre leurs espaces de configuration respectifs. Ce point d’état de transition a quatre atomes de carbone étiquetés dans une géométrie presque planaire24,28, la même structure d’état de transition que l’on réalise faire B3LYP/6-311+G(2d,p) calculs29. Après le même état de transition mouvement de fréquence imaginaire, légèrement torsion 2 vers le haut et 3 vers le bas cassera le modèle dans le paysage conformateur de bateau, tandis que légèrement torsion 2 vers le bas et 3 vers le haut retournera la structure à la conformité de chaise.
Figure 5 : Les conformateurs de cyclohexane sont entièrement accessibles. Comme les atomes peuvent tourner autour de leurs liaisons, les modèles peuvent adopter la chaise stérically verrouillé et des formes de bateau plus conformationnellement libres. L’état de transition entre ces formes implique quatre atomes de carbone presque coplanaires dans l’anneau. Légèrement torsion 2 avec 3 vers le bas glissera le modèle au conformeur de bateau, tandis que la torsion 2 vers le bas avec 3 vers le haut retournera le modèle à la conformité de chaise. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Les estimations de l’énergie sans point d’état (tableau supplémentaire S1) de B3LYP/6-311+G(2d,p) les calculs des points d’état optimisés(fichiers supplémentaires S6\u2012S9) donnent un écart entre le bateau à torsion et les conformateurs de bateau de 0,8 kcal/mol, qui est très proche de l’énergie thermique à 298,15 K. Cela suggère que la conversion entre ceux-ci devrait échantillonner presque librement. L’écart entre l’état de transition de la chaise et l’interconversion est plus de dix fois cette valeur, ce qui indique que la chaise doit être verrouillée de façon conformation en comparaison. Ceci est illustré dans la figure 6, qui montre l’énergie moyenne estimée lorsque chaque emplacement de l’atome de carbone par rapport au plan de l’anneau est projeté latitudinally sur une sphère au cours d’une phase de gaz calcul de la dynamique moléculaire30,31. Dans la chaise conforme sur la gauche, l’énergie est faible lorsque les atomes de carbone sont déplacés au-dessus ou en dessous du plan de l’anneau, mais il rampes de façon spectaculaire s’ils se déplacent pour s’aligner avec le plan de l’anneau. Dans le conformer de bateau, l’énergie conforme est relativement faible quand les carbones sont dans l’avion d’anneau (état de torsion-bateau), et le conformeur de bateau plus fortement déplacé n’est pas à une énergie radicalement plus élevée. Ces paysages de configuration peuvent être explorés avec les modèles de cyclohexane imprimés en 3D, le conformiste de la chaise ne pouvant vibrer localement que lorsque le conformiste du bateau peut se détirer d’une paire d’atomes de carbone opposés à l’autre.
Figure 6 : Le comportement du modèle correspond aux calculs. Dans les états conformes de la chaise et du bateau, le déplacement latitudinal des atomes de carbone autour du plan d’anneau au cours d’un calcul de la dynamique moléculaire peut être projeté sur la surface d’une sphère d’enclos. Bien que la forme de chaise soit la plus stable sur le plan énergétique, elle est verrouillée et ne peut s’interconvertir à la forme inversée qu’en passant par un état de transition énergétique élevé. Les calculs et la flexibilité du modèle imprimé indiquent que les conformateurs du bateau et du bateau à torsion sont séparés par près de 1 kBT à 298,15 K, ce qui permet un déplacement latitudinal presque libre des atomes de carbone sous cette forme. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Tableau supplémentaire S1 : Estimations de l’énergie sans point d’État. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.
Dossier supplémentaire 1. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
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Discussion
L’objectif principal de cette étude est de signaler un protocole pour l’élaboration de modèles moléculaires dynamiques avec des imprimantes 3D de base. Ces imprimantes sont de plus en plus accessibles, souvent même gratuites dans les bibliothèques, les écoles et d’autres lieux. Commencer implique de faire des choix à la fois sur les modèles à imprimer et les matériaux à utiliser et à décider de ces options peut exiger une certaine inspiration quant à ce que la fabrication additive créative peut faire pour la recherche et l’instruction. Pour résoudre ces problèmes, nous fournissons des recommandations pratiques, des pièces de modèle suggérées, un protocole d’impression 3D et une application d’exemple, dont chacune mérite une discussion plus approfondie.
Il existe de nombreux choix de thermoplastique pour une utilisation dans l’impression 3D. Nous mettons en évidence trois dans le protocole présenté que ces trois matériaux sont actuellement les plus largement disponibles pour l’impression 3D do-it-yourself. Le choix peut dépendre du matériau pris en charge par une imprimante 3D disponible, par exemple de nombreuses installations d’accès libre ne seront imprimées avec PLA en raison de contraintes environnementales. Pla est un matériau biodégradable et compostable qui a un protocole d’impression avec des réglages de température douce. L’ABS et le PETG sont moins respectueux de l’environnement et ne sont généralement pas recyclables, bien que le PETG soit basé sur du polyéthylène téréphtalate hautement recyclable (PET) et puisse éventuellement voir un retraitement plus large comme le PET. Les pratiques d’impression durables consisteraient à imprimer peu de pièces à la fois pour assurer à la fois la qualité d’impression et le succès de l’impression, tout en utilisant le moins de matériaux jetés (structures de soutien, radeaux, boucliers suintement, etc.) que possible. Pla peut être fragile, donc si disponible, abs et PETG thermoplastiques peuvent entraîner des impressions qui sont plus résistants mécaniquement et ont amélioré l’adhérence des couches, respectivement. Ces propriétés pourraient être souhaitables pour un modèle moléculaire interactif qui verra la manipulation régulière dans un arrangement de laboratoire ou de salle de classe.
Les modèles présentés ici tiennent compte de ces considérations, bien qu’ils soient d’abord conçus pour travailler ensemble pour permettre la construction dynamique de modèles moléculaires. À l’échelle par défaut, ils s’assembleront avec succès en structures moléculaires interactives. Ils peuvent facilement être mis à l’échelle jusqu’à de grands modèles, bien que l’assemblage exigera plus de force que les pinces de connexion sont moins faciles à déformer à une plus grande taille. En réduisant les composants, une réduction de 50% de la taille fonctionnera toujours avec des modifications mineures, telles que la réduction du modèle atome de carbone à 48\u201249% tout en maintenant la liaison et l’atome d’hydrogène à 50% pour permettre des connexions plus strictes entre les pièces dans les impressions PLA. Les modèles de cette petite taille sont plus délicats et nécessitent souvent des structures de radeau pour imprimer avec succès, mais ils sont toujours fonctionnels comme modèles moléculaires dynamiques.
Le matériau thermoplastique et les modèles choisis pour imprimer sont les deux aspects les plus critiques d’un protocole d’impression 3D. Le thermoplastique choisi dictera la température, l’adhérence, l’anéalisation et les considérations et les options de finition. Si l’imprimante 3D disponible n’a pas de lit chauffant, PLA est le seul choix thermoplastique présenté qui imprimera les pièces de façon reproductible. Alors que les pièces fournies sont conçues pour imprimer de façon reproductible avec différents thermoplastiques et tenir jusqu’à la manipulation dynamique, les impressions se dégradent avec l’utilisation et la fissure, souvent entre les couches d’impression, lorsqu’elles sont placées sous un stress croissant. Dans de telles situations, il est facile et relativement rentable d’imprimer une pièce de rechange.
La fonctionnalité dynamique des assemblages moléculaires imprimés à partir des modèles fournis différencie ce travail des autres modèles imprimables disponibles et 3D qui mettent principalement en évidence les types de connectivité et de collage. Les aspects dynamiques sont présentés en petite partie avec l’exemple de la structure cyclohexane. Le paysage de configuration du cyclohexane est directement accessible à la main à l’aide de ces modèles, et les topologies de ces paysages sont généralement en accord avec les investigations computationnelles. Une grande partie de cela vient d’un respect pour les spécificités de la géométrie moléculaire et les degrés de liberté dans ces composants de modélisation physique. Dans le commentaire de Linus Pauling sur leur succès à découvrir la structure de l’α-helix1, ils ont affirmé que leurs contemporains ont rencontré des difficultés découlant d’hypothèses intégrales idéalistes et l’adoption « ... seulement une approximation approximative des exigences concernant les distances interatomiques, les angles de liaison et la planarité du groupe amide conjugué, comme le donnent nos recherches sur des substances plus simples. Un aperçu plus quantitatif dans ce sens exige des détails plus spécifiques que les considérations prises dans la construction de ces pièces modèles, mais ces modèles et recommandations fournissent une base pour l’étude physique interactive générale des systèmes moléculaires. Ces modèles sont une extension des kits de modèles imprimables 3D que nous produisons pour des activités de recherche et de sensibilisation pendant plusieurs années avant le présent rapport, et d’autres composants compatibles avec ces deux modèles et le protocole décrit sont disponibles auprès des auteurs pour permettre aux auteurs des arrangements de liaison plus diversifiés et une action dynamique.
Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation (NSF) dans le cadre de la subvention 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
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