Summary
A modelagem física de sistemas microscópicos ajuda a obter insights difíceis de obter por outros meios. Para facilitar a construção de modelos moleculares físicos, demonstramos como a impressão 3D pode ser usada para montar modelos macroscópicos funcionais que capturam qualidades de sistemas moleculares de forma tátil.
Abstract
Com o crescimento da acessibilidade da impressão 3D, tem havido uma crescente aplicação e interesse em processos de fabricação aditiva em laboratórios químicos e educação química. Com base na longa e bem sucedida história da modelagem física de sistemas moleculares, apresentamos modelos selecionados, juntamente com um protocolo para facilitar a impressão 3D de estruturas moleculares que são capazes de fazer mais do que representam forma e conectividade. Os modelos montados como descritos incorporam aspectos dinâmicos e graus de liberdade em estruturas de hidrocarbonetos saturados. Como exemplo representativo, o ciclohexano foi montado a partir de peças impressas e terminadas usando diferentes termoplásticos, e os modelos resultantes mantêm sua funcionalidade em uma variedade de escalas. As estruturas resultantes mostram acessibilidade de espaço configuracional consistente com cálculos e literatura, e versões dessas estruturas podem ser usadas como auxílios para ilustrar conceitos difíceis de transmitir de outras formas. Este exercício nos permite avaliar protocolos de impressão bem-sucedidos, fazer recomendações práticas para montagem e traçar princípios de design para modelagem física de sistemas moleculares. As estruturas, procedimentos e resultados fornecidos fornecem uma base para a fabricação individual e exploração de estrutura molecular e dinâmica com impressão 3D.
Introduction
A construção de estruturas moleculares tem sido um aspecto crítico para a descoberta e validação de nossa compreensão da forma e das interações entre as moléculas. A construção do modelo físico foi um aspecto motivador na determinação da estrutura α-héliceem proteínas por Pauling et al.1, as estruturas hidratos do clatrato primário de água2,,3, e a estrutura de dupla hélice do DNA por Watson e Crick4. No relato publicado por James Watson sobre a estrutura do DNA, ele detalha muitas das lutas enfrentadas em tal construção modelo, como embrulhar um fio de cobre em torno de átomos de carbono modelo para fazer átomos de fósforo, suspensões precariamente delicadas de átomos, e fazer recortes de papelão de bases enquanto espera em recortes de lata da loja de máquinas5. Tais lutas na construção de modelos têm sido em grande parte remediadas com modelagem computacional aumentando ou suplantando totalmente abordagens físicas, embora os modelos físicos permaneçam um aspecto essencial na educação química e experimentação6,,7,,8,9.
Desde cerca de 2010, a impressão 3D tem visto um crescimento significativo na adoção como uma ferramenta para design criativo e fabricação. Esse crescimento tem sido impulsionado pela concorrência e disponibilidade de uma variedade de impressoras FDM (Fused-Deposition Modeling, modelagem de deposição fundida) de uma série de novas empresas focadas na ampla comercialização da tecnologia. Com a crescente acessibilidade, houve um crescimento simultâneo na aplicação dessas tecnologias na educação química e nas configurações laboratoriais experimentais10,,11,,12,,13,,14,,15,,16,,17,,18,,19,,20,,21. Durante esse período, tanto repositórios comerciais quanto comunitários abertos para modelos 3D, como o NIH 3D Print Exchange22,tornaram os sistemas de modelos para impressão 3D mais acessíveis, embora muitos desses modelos tendem a ser centrados em moléculas-alvo específicas e fornecem estruturas estáticas simples com ênfase na conectividade e tipo de vínculo. Grupos atômicos e moleculares mais gerais podem permitir construções mais criativas12,,23, e há necessidade de modelos que possam permitir a criação de estruturas gerais com feedback tátil, dinâmico e sensível para estruturas moleculares.
Aqui, apresentamos componentes da estrutura do modelo molecular que podem ser prontamente impressos e montados para formar modelos moleculares dinâmicos de hidrocarbonetos saturados. As estruturas componentes fazem parte de um kit mais amplo que desenvolvemos para atividades de extensão e extensão para nosso laboratório e universidade. As peças fornecidas foram projetadas para serem imprimíveis com uma variedade de tipos de filamento de polímeros em impressoras FDM 3D de commodities. Apresentamos resultados de modelos utilizando diferentes polímeros e técnicas de acabamento de impressoras FDM de extrusora única e dupla. Esses componentes são escaláveis, permitindo a fabricação de modelos adequados tanto para investigação pessoal quanto para demonstração em ambientes de palestras maiores.
O objetivo principal deste relatório é auxiliar outros pesquisadores e educadores na tradução de detalhes e conhecimentos da estrutura química de forma mais física com impressão 3D. Para isso, destacamos uma aplicação de exemplo montando e manipulando ciclohexano em diferentes escalas. As conformações do sistema de anel de seis membros são um tema central nos cursos introdutórios de Química Orgânica24, e esses conformadores são um fator na reatividade das estruturas de anéis e açúcar25,,26,,27. Os modelos impressos adotam de forma flexível os conformadores do chaveiro24, e a força necessária para as vias de interconversão do anel pode ser diretamente explorada e avaliada qualitativamente manualmente.
Protocol
1. Preparação de arquivos de modelo para impressão 3D
NOTA: O grande número de impressoras 3D e softwares de impressão gratuitos e comerciais fazem direções exatas além do escopo deste artigo. Aqui estão previstos processos e recomendações gerais de protocolo, com considerações específicas dadas para modelos representativos mostrados com o software listado e impressoras 3D (ver Tabela de Materiais). As instruções dedicadas do fabricante específicas da impressora de um leitor e da combinação de software de corte têm precedência sobre as recomendações fornecidas.
- Baixe os arquivos de estereotipografia suplementar (.stl) associados a este artigo(Arquivos Suplementares S1\u2012S5). Carregue esses arquivos para o computador com o programa de fatiador.
- Importe um dos arquivos C_atom_sp3, H_atom ou C-C_bond para o programa de fatiador. Use o formato milímetro para as unidades se houver uma opção disponível. No software, clique no botão Importação do painel Modelos da janela principal ou selecione o comando Modelos de Importação no menu Pulldown do Arquivo. Selecione o arquivo de modelo apropriado do navegador de arquivos resultante.
- Importe arquivos H_atom_dual_bottom e H_atom_dual_top para impressões de extrusoras duplas do átomo de hidrogênio. Alinhe, grudee e atribua os modelos componentes à extrusora relevante com base na cor do filamento de destino.
- Dimensione o modelo importado para o tamanho desejado. Para isso, clique duas vezes no modelo gráfico no display principal ou no modelo listado no painel Modelos da janela principal. Esta ação abre um painel de edição de modelos que permite a tradução, rotação e dimensionamento do modelo de destino. Os modelos representativos são apresentados para 50%, 100%, 200% e 320% de escala para todas as peças de interconexão.
- Ative estruturas de suporte para modelos C_atom_sp3 com escalas superiores a 100%. Estruturas de suporte podem ser usadas, mas geralmente não são necessárias para todos os outros modelos.
- Ative uma estrutura de jangada ou borda para modelos 100% e de menor escala. Tais estruturas não devem ser necessárias para a maioria dos modelos maiores, pois a base plana terá contato suficiente com a superfície do leito para permanecer fixa no lugar. As balsas ajudam a fornecer uma primeira camada bem aderida para uma impressão 3D, portanto, se houver alguma dificuldade na estabilidade da primeira camada impressa em qualquer escala, ativar uma estrutura de jangada poderia levar a impressões mais bem sucedidas em detrimento do material necessário para a estrutura da balsa.
- Modelos duplicados para gerar uma matriz de modelos conforme desejado, selecionando a opção Modelos Duplicados no menu Editar e digitando o número de peças do modelo na caixa de diálogo resultante. Organize o (s) modelos perto do centro da plataforma de compilação clicando no botão Central e Arrange no painel Modelos da janela principal ou selecionando a opção Centro e Organize no menu Editar pulldown.
NOTA: Veja a Figura 1 para um arranjo de exemplo de seis modelos C_atom_sp3 impressos com ácido polilático (PLA). É mais seguro imprimir uma única peça de cada vez, embora imprimir várias pequenas partes da mesma cor geralmente seja mais eficiente no tempo. A qualidade de impressão das peças em matrizes é muitas vezes menor devido à necessidade de mais pontos de retração de filamento entre os modelos. As impressões de matriz de modelos também têm uma maior probabilidade de falha, pois uma parte caída durante a impressão pode interferir na impressão de outras peças.
Figura 1: Átomos ou ligações de cores semelhantes podem ser impressos como matrizes. Para aumentar a eficiência de impressão a um leve custo de qualidade, partes de cor semelhante são prontamente impressas em matrizes. Aqui, seis átomos de carbono PLA são impressos juntos, cada um posicionado em uma pequena estrutura de jangada com uma estrutura de borda delineada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
- Defina as configurações de processamento de modelo apropriadas para impressões-alvo usando Configurações de processo adicionar ou editar do painel Processos da janela principal.
NOTA: O software utilizado tem configurações de processamento padrão selecionáveis para PLA, ABS e outros termoplásticos disponíveis ao adicionar um novo processo ou editar um processo clicando respectivamente nas Configurações de Adicionar ou editar do painel Processos da janela principal. Ajustes específicos e raciocínio para as partes do modelo molecular fornecidos seguem.- Defina o valor de preenchimento do modelo entre 15% e 25%. Isso usará menos filamento e resultará em partes mais leves, mas as estruturas montadas finais serão fortes o suficiente para sobreviver à manipulação física.
- Use configurações de enchimento 100% para as regiões conectoras de peças modelo C-C_bond e H_atom, se possível ou necessária para aumentar a durabilidade das guias do conector.
- Escolha uma espessura de camada de impressão de 0,2 mm ou menor para manter os detalhes da impressão.
- Defina a Velocidade da Primeira Camada para um valor entre 25 e 50% na guia Camada das configurações do processo. Uma primeira camada impressa lentamente melhorará a adesão à cama de impressão e resultará em impressões 3D mais bem sucedidas.
- Defina a extrusora da impressora e as temperaturas da cama da impressora em valores recomendados para o material de filamento da impressora escolhido. As temperaturas fornecidas são recomendações de ponto de partida.
- Para PLA, conjunto Extruder = 215 °C; Cama = Sem aquecimento.
- Para polietileno tereftalato glicol-modificado (PETG) conjunto Extruder = 235 °C, e Leito = 80 °C.
- Para acrilonitrilo butadieno e estireno (ABS) conjunto Extruder = 245 °C e Cama = 110 °C.
- Para C_atom_sp3 peças do modelo, use duas conchas de contorno/perímetro com uma direção de contorno "outside-in" para minimizar a distorção de impressão na parte inferior da esfera. Essas opções estão disponíveis na guia Camada da janela Configurações processa. Para todas as outras partes, a Direção de Contorno "Inside-Out" é recomendada para um acabamento de superfície mais limpo.
- Se realizar uma impressão de extrusão dupla dos modelos H_atom_dual_bottom e H_atom_dual_top alinhados, opcionalmente ligue uma opção de escudo ooze. O cortador então gerará uma fina geometria de parede ao redor do modelo que pegará qualquer polímero pingando da ponta inativa, mas ainda quente e extrusora.
- Corte o modelo em camadas de impressão para gerar um caminho de ferramentas G-Code. Clique no botão Preparar para Imprimir! na janela principal ou selecione a opção Preparar para Imprimir no menu Editar pulldown.
2. Preparação da impressora para impressão de peças
- Cubra a superfície da cama da impressora com fita azul do pintor para camas não aquecidos. Cubra a superfície da cama da impressora com fita azul do pintor e uma camada inferior de fita poliimida para camas aquecidas.
- Aplique uma fina camada de cola gruda na fita do pintor azul. Polímero de vara de cola melhorará a adesão à impressão à superfície da cama.
- Coloque ou feche um gabinete ventilado sobre a cama da impressora. Um gabinete minimiza as correntes de ar que podem perturbar a impressão.
- Para PLA, abra todas as portas de ventilação, pois o resfriamento rápido é preferido. Ligue um ventilador de cama durante a impressão, se possível.
- Para PETG, abra um número limitado de portas de ventilação, pois o resfriamento gradual é preferido. Um ventilador de cama é desnecessário durante a impressão.
- Para o ABS, abra um número mínimo de portas de ventilação, pois o resfriamento muito gradual é preferido. Desligue os ventiladores de cama durante a impressão.
- Uma vez que a impressora esteja preparada, clique no botão "Comece a imprimir sobre USB" para enviar o G-Code para a impressora conectada e iniciar o processo de impressão.
3. Acabamento e montagem de estruturas de modelos
- Remova as peças da cama da impressora. No caso de estampas de cama aquecidas, remova as peças depois que a cama esfriar para evitar distorcer o modelo durante a separação.
- Remova as estruturas de jangada ou borda da base das peças, se utilizadas. Esfregue a base da peça modelo com lixa de grão médio a fino para remover quaisquer filamentos de jangadas anexados restantes.
- Lixe a base do C_atom_sp3 peças modelo com lixa média (120 grãos) a muito fina (320 grãos) para remover defeitos superficiais. Suavize a superfície com a lixa de grão muito fina. Polir a superfície para o acabamento desejado com um pano de polimento ou roda tampão em baixa revolução por minuto de ajuste.
NOTA: Por exemplo, uma ferramenta Dremel com uma roda tampão de 0,5 polegadas de diâmetro definida a 10.000 rpm pode ser usada para polir, tomando o cuidado de não aquecer excessivamente a impressão e causar defeitos de superfície.- PLA: As impressões normalmente têm um acabamento ligeiramente brilhante após a impressão, como mostrado nos painéis da Figura 2. Este acabamento é marcado por lixamento grosseiro, mas o acabamento brilhante pode ser restaurado com polimento.
- PETG: As estampas normalmente têm um acabamento ligeiramente brilhante que pode ser lixado e restaurado com polimento como com PLA.
- ABS: As impressões normalmente têm um acabamento fosco ou apenas marginalmente brilhante após a impressão(Figura 3A). Um acabamento de alto brilho (Figura 3B) pode ser alcançado mergulhando separadamente as peças em um banho de acetona para 1\u20122 s e colocando-as em uma área ventilada até que a acetona tenha evaporado e a superfície tenha se solidificado dentro tipicamente de 12\u201224 h.
ATENÇÃO: A acetona é inflamável e deve ser aplicada com moderação em um capô de fumaça ou em uma área muito bem ventilada. O ABS dissolve-se em acetona, de modo que partes com defeitos de separação de camadas devido à má ressarição não devem ser tratadas com acetona líquida. A acetona entrará nos modelos através de tais defeitos e dissolverá o infill do modelo(Figura 3C). Polir com vapor de acetona é um processo mais lento que resultará em um efeito semelhante, embora precauções de segurança devem ser tomadas dada a inflamabilidade da acetona.
Figura 2: As impressões de extrusora dupla podem ser mais refinadas visualmente. (A) As impressões de átomos de hidrogênio do modelo de extrusora dupla são visualmente mais coesas do que (B) todas as impressões de átomos de hidrogênio modelo branco. (C) Quando conectados juntos para formar anéis de ciclohexano completos, os modelos PLA montados são funcionalmente idênticos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Os modelos ABS podem ser processados quimicamente para um acabamento brilhante. (A) As estampas do modelo ABS tendem a ter uma aparência mais difusa ou fosca, mas(B)depois de tratar quimicamente as peças com um breve mergulho em acetona ganham um acabamento de alto brilho. (C) Se a acetona entrar no interior da impressão através de defeitos de separação da camada, a acetona dissolverá o modelo de dentro para fora, fazendo com que ele entre em colapso. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
- Insira as extremidades do conector de C-C_bond e H_atom peças do modelo em soquetes em C_atom_sp3 peças do modelo de acordo com a topologia de ligação desejada. Aperte as peças do modelo até que um clique audível seja ouvido. Uma vez conectado, o único vínculo deve girar livremente sobre essa conexão sem desmoronar.
NOTA: O ajuste de conexão é apertado, por isso isso pode exigir uma força significativa para modelos com escala superior a 100%. As peças fornecidas não se destinam a ser separadas após conectá-las juntas, mas podem ser separadas com uma força aplicada muito significativa. A rotação sobre um vínculo conectado é uma característica desejada para as peças e modelos fornecidos. A rotação de travamento requer um modelo átomo (um carbono hibridizado sp2, por exemplo) com uma estrutura fixa no soquete de conexão que insere entre os espaçamentos das abas na extremidade do modelo de ligação. - Monte todas as peças impressas de acordo com a estrutura molecular desejada. Satura todas as peças do modelo C_atom_sp3 preenchendo qualquer tomada aberta com uma peça modelo H_atom. Para um anel como o ciclohexano, feche o anel com uma peça modelo C-C_bond entre C_atom_sp3 peças do modelo.
Representative Results
O protocolo fornecido abrange uma variedade de opções potenciais para a construção de modelos moleculares interativos. Como exemplo básico e unificador para um conjunto molecular usando essas peças modelo, optamos por montar estruturas interativas de ciclohexano em uma variedade de escalas. A Figura 2 mostra as partes necessárias para esta estrutura: seis átomos C, seis ligações C-C e doze átomos H. Essas impressões específicas foram fabricadas utilizando ambas as impressoras listadas na Tabela de Materiais. A impressora de extrusão dupla mais cara permite a produção de componentes de cores duplas; aqui as estruturas de átomos de hidrogênio de duas cores com a mudança de cor no ponto médio da ligação (Figura 2A). Os hidrogênios monocoloridos na Figura 2B imprimem em cerca de 50\u201260% menos tempo devido à falta de uma estrutura de escudo ooze e à falta de retrações de polímeros na troca entre extrusoras ativas. As estruturas de ciclohexano montadas (Figura 2C) são funcionalmente equivalentes, embora as impressões de extrusor dupla tendem a parecer moderadamente mais refinadas.
Os modelos PLA na Figura 2 têm acabamento razoavelmente agradável que é mais refinado do que os modelos ABS direto da impressora (Figura 3A). O tratamento químico de modelos ABS com acetona dá um acabamento liso e alto de brilho que quase dá à superfície um visual molhado(Figura 3B). Esse acabamento pode ser problemático, especialmente se os modelos ABS não forem bem ressarcidos. Modelos grandes impressos com ABS são propensos a defeitos de separação de camadas. Defeitos de separação da camada acontecem quando a camada anterior esfria antes que a extrusora possa atravessar para estabelecer a próxima camada. É extremamente importante para grandes impressões ABS que o ambiente ao redor do leito de aquecimento da impressora permaneça em uma temperatura uniforme e quente para diminuir a taxa de resfriamento. Se uma impressão com um defeito de camada estiver submersa em acetona, a acetona entrará no modelo e dissolverá a estrutura de suporte interno. Isso irá colapsar o modelo de dentro, como mostrado na Figura 3C.
Uma aparência visualmente distinta é secundária à funcionalidade das estruturas do modelo. Os conectores foram projetados para permitir a rotação livre sobre ligações únicas. Para testar sua utilidade em diferentes sistemas, foram impressos quatro conjuntos diferentes de tamanhos de peças, com o diâmetro do átomo de carbono funcionando a partir de 17,5 mm, 35 mm, 70 mm e 112 mm. As estruturas ciclohexana montadas(Figura 4)foram todas capazes de flexionar, distorcer e adotar conformadores relevantes da mesma forma. O menor desses modelos foi o mais propenso a imprimir falhas, tornando este tamanho potencialmente muito pequeno e não recomendado sem ajustar o tamanho relativo das peças. Um dos principais benefícios para as impressões menores é a velocidade de impressão. Uma matriz de seis dos menores átomos de carbono impressos em cerca de 2 h, em comparação com os 10 h necessários para um único átomo de carbono do maior tamanho. Embora lentos para imprimir, modelos grandes são potencialmente mais eficazes para a comunicação em ambientes de palestras onde seria difícil ver o movimento de uma pequena estrutura à distância.
Figura 4: Os modelos são funcionais em uma variedade de escalas. Para ilustrar como os modelos podem ser impressos para diferentes propósitos, os modelos ciclohexanos foram montados em quatro escalas diferentes e todos mantêm a mesma funcionalidade. Os átomos de carbono dos maiores são maiores que uma bola de softball (112 mm de diâmetro), enquanto o ciclohexano montado do menor poderia caber dentro de uma softball. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
O aspecto dinâmico é um dos principais atributos que separam essas estruturas de outros modelos moleculares imprimíveis. Uma vez que os átomos podem facilmente girar em relação uns aos outros, as estruturas podem ser distorcidas para encaixar nos diferentes conformadores representativos do ciclohexano. A Figura 5 mostra a cadeira, o barco e a estrutura de estado de transição para interconversão entre seus respectivos espaços de configuração. Este ponto de estado de transição tem quatro átomos de carbono rotulados em uma geometria quase planar24,28, a mesma estrutura de estado de transição que se alcança fazendo cálculos B3LYP/6-311+G (2d,p)29. Seguindo o mesmo movimento de frequência imaginária do estado de transição, ligeiramente torcido 2 para cima e 3 para baixo vai encaixar o modelo na paisagem conformista do barco, enquanto ligeiramente torcido 2 para baixo e 3 para cima retornará a estrutura para o conformr da cadeira.
Figura 5: Os conformadores de ciclohexano são totalmente acessíveis. Como os átomos podem girar sobre suas ligações, os modelos podem adotar a cadeira esticamente trancada e formas de barco mais conformaismente livres. O estado de transição entre essas formas envolve quatro átomos de carbono quase coplanares no anel. Levemente torcido 2 para cima com 3 para baixo vai deslizar o modelo para o conformr barco, enquanto torcido 2 para baixo com 3 para cima devolverá o modelo para a cadeira conformr. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
As estimativas estaduais de energia livre de pontos(Tabela Suplementar S1) de cálculos B3LYP/6-311+G (2d,p) de pontos de estado otimizados(Arquivos Suplementares S6\u2012S9) dão uma lacuna entre os conformadores de barco e barco de 0,8 kcal/mol, que está muito próximo da energia térmica a 298,15 K. Isso sugere que a conversão entre estes deve ser amostrada quase livremente. A diferença entre o estado de transição da cadeira e a transição interconversão é mais de dez vezes esse valor, indicando que a cadeira deve ser presa conformamente em comparação. Isso é ilustrado na Figura 6,que mostra a energia média estimada quando cada localização do átomo de carbono relativa ao plano anelar é latitudinalmente projetada em uma esfera ao longo de um cálculo de dinâmica molecular de fase gasosa30,31. Na cadeira conformer à esquerda, a energia é baixa quando os átomos de carbono são deslocados acima ou abaixo do plano anelar, mas aumenta dramaticamente se eles se deslocam para se alinhar com o plano anelar. No conformr do barco, a energia de conformr é relativamente baixa quando os carbonos estão no plano de anel (estado do barco torto), e o mais altamente deslocado conformr barco não está em uma energia drasticamente maior. Essas paisagens de configuração podem ser exploradas com os modelos de ciclohexano impressos em 3D, com o conformr da cadeira apenas sendo capaz de vibrar localmente enquanto o conformer do barco pode ondular suavemente de um par de átomos de carbono opostos para o próximo.
Figura 6: O comportamento do modelo corresponde aos cálculos. Nos estados de cadeira e barco, o deslocamento latitudinal de átomos de carbono sobre o plano anelar ao longo de um cálculo da Dinâmica Molecular pode ser projetado na superfície de uma esfera de aproximação. Embora a forma da cadeira seja mais energeticamente estável, ela é bloqueada e só pode interconversar para a forma invertida passando por um estado de transição de alta energia. Ambos os cálculos e a flexibilidade do modelo impresso indicam que os conformadores de barco e twist-boat são separados por cerca de 1 kBT a 298,15 K, permitindo o deslocamento latitudinal quase livre de átomos de carbono nesta forma. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Tabela Suplementar S1: Estimativas de energia livre de pontos estaduais. Clique aqui para baixar esta tabela.
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Discussion
O objetivo principal deste estudo é relatar um protocolo para a elaboração de modelos moleculares dinâmicos com impressoras 3D de commodities. Essas impressoras são cada vez mais acessíveis, muitas vezes até mesmo gratuitas para usar em bibliotecas, escolas e outros locais. Começar envolve fazer escolhas sobre os modelos para imprimir e os materiais para usar e decidir a partir dessas opções pode exigir alguma inspiração sobre o que a fabricação de aditivos criativos pode fazer para pesquisa e instrução. Para resolver essas questões, fornecemos algumas recomendações práticas de material, peças de modelo sugeridas, um protocolo de impressão 3D e um aplicativo de exemplo, cada um dos quais justificam uma discussão adicional.
Existem muitas opções de termoplástico para uso na impressão 3D. Destacamos três no protocolo apresentado, pois esses três materiais são atualmente os mais amplamente disponíveis para impressão 3D do "faça você mesmo". A escolha pode depender de qual material é suportado por uma impressora 3D disponível, por exemplo, muitas instalações de acesso aberto só serão impressas com PLA devido a restrições ambientais. PLA é um material biodegradável e compostável que possui um protocolo de impressão com ajustes de temperatura amenas. Tanto o ABS quanto o PETG são menos ecológicos e geralmente não recicláveis, embora o PETG seja baseado em tereftalato de polietileno altamente reciclável (PET) e pode eventualmente ver um reprocessamento mais amplo como o PET. Práticas de impressão sustentáveis envolveriam a impressão de poucas peças ao mesmo tempo para garantir tanto a qualidade da impressão quanto o sucesso da impressão, isto ao usar o mínimo de material descartado (estruturas de suporte, balsas, escudos ooze, etc.) o mais possível. O PLA pode ser frágil, portanto, se disponíveis, os termoplásticos ABS e PETG podem resultar em impressões mais mecanicamente resistentes e ter melhor adesão de camadas, respectivamente. Essas propriedades podem ser desejáveis para um modelo molecular interativo que verá manipulação regular em um ambiente de laboratório ou sala de aula.
Os modelos aqui apresentados levam essas considerações em consideração, embora sejam, em primeiro lugar, projetados para trabalhar em conjunto para permitir a construção dinâmica de modelos moleculares. Na escala padrão, eles se reunirão com sucesso em estruturas moleculares interativas. Eles podem ser prontamente dimensionados para modelos grandes, embora a montagem exigirá mais força, pois os pinos de conexão são menos fáceis de distorcer em tamanhos maiores. Ao encolher os componentes, uma redução de 50% no tamanho ainda funcionará com pequenas modificações, como reduzir o modelo de átomo de carbono para 48\u201249% mantendo a ligação e o átomo de hidrogênio em 50% para permitir conexões mais apertadas entre as peças nas impressões PLA. Modelos deste pequeno são mais delicados e muitas vezes requerem estruturas de jangada para imprimir com sucesso, mas ainda são funcionais como modelos moleculares dinâmicos.
O material termoplástico e os modelos escolhidos para imprimir são os dois aspectos mais críticos de um protocolo de impressão 3D. O termoplástico escolhido ditará a temperatura, a adesão, o ressarem e as considerações e as opções de acabamento. Se a impressora 3D disponível não tiver uma cama aquecida, o PLA é a única das opções termoplásticas apresentadas que imprimirá as peças de forma reprodutificada. Enquanto as peças fornecidas são projetadas para imprimir reproduzivelmente com diferentes termoplásticos e segurar a manipulação dinâmica, as impressões se degradarão com o uso e a rachadura, muitas vezes entre camadas de impressão, quando colocadas sob crescente estresse. Em tais situações, é fácil e relativamente econômico imprimir uma peça de substituição.
A funcionalidade dinâmica dos conjuntos moleculares impressos a partir dos modelos fornecidos diferencia este trabalho de outros modelos imprimíveis e 3D disponíveis que destacam principalmente os tipos de conectividade e ligação. Os aspectos dinâmicos são apresentados em pequena parte com o exemplo de estrutura ciclohexana. A paisagem de configuração do ciclohexano é diretamente acessível manualmente usando esses modelos, e as topologias dessas paisagens estão em geral de acordo com as investigações computacionais. Muito disso vem do respeito às especificidades da geometria molecular e aos graus de liberdade nesses componentes de modelagem física. No comentário de Linus Pauling sobre seu sucesso em descobrir a estrutura do α-hélice1,eles alegaram que seus contemporâneos enfrentaram dificuldades provenientes de suposições ideais integrais e adotando "... apenas uma aproximação aproximada aos requisitos sobre distâncias interatômicas, ângulos de vínculo e planaridade do grupo de amida conjugado, conforme dado por nossas investigações de substâncias mais simples." Uma visão mais quantitativa nesse sentido requer mais detalhes específicos do que as considerações tomadas na construção dessas peças modelo, mas esses modelos e recomendações fornecem uma base para uma investigação física interativa geral de sistemas moleculares. Esses modelos são uma extensão dos kits de modelos imprimíveis em 3D que temos produzido para atividades de pesquisa e divulgação há vários anos antes deste relatório, e peças componentes adicionais compatíveis com esses modelos e o protocolo descrito estão disponíveis dos autores para permitir arranjos de ligação mais diversos e ações dinâmicas.
Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
Este trabalho foi apoiado pela National Science Foundation (NSF) sob o 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
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