Summary
Mikroskobik sistemlerin fiziksel modellemesi, başka yollarla elde edilmesi zor içgörülerin elde edilmesine yardımcı olur. Fiziksel moleküler modellerin yapımını kolaylaştırmak için, 3D baskının moleküler sistemlerin niteliklerini dokunsal bir şekilde yakalayan işlevsel makroskopik modelleri bir araya getirmek için nasıl kullanılabileceğini gösteriyoruz.
Abstract
3D baskının erişilebilirliğindeki büyüme ile birlikte, kimyasal laboratuvarlarda ve kimyasal eğitimde katkı maddesi üretim süreçlerine ilgi ve katkı maddesi uygulaması artmaktadır. Moleküler sistemlerin fiziksel modellemesinin uzun ve başarılı geçmişinden dayanarak, şekil ve bağlantıyı temsil etmekten daha fazlasını yapabilen moleküler yapıların 3Boyutlu baskısını kolaylaştıracak bir protokolle birlikte seçilmiş modeller saiyoruz. Açıklandığı gibi biraraya getirilen modeller, doymuş hidrokarbon yapılarına dinamik yönler ve özgürlük dereceleri içerir. Temsili bir örnek olarak, sikloheksane farklı termoplastikler kullanılarak basılmış ve bitmiş parçalardan monte edildi ve ortaya çıkan modeller çeşitli ölçeklerde işlevselliğini korumak. Elde edilen yapılar, hesaplamalar ve literatür ile tutarlı yapılandırma alanı erişilebilirliği gösterir ve bu yapıların sürümleri başka şekillerde iletilmesi zor kavramları göstermek için yardımcı olarak kullanılabilir. Bu alıştırma, başarılı baskı protokollerini değerlendirmemize, montaj için pratik önerilerde bulunmamıza ve moleküler sistemlerin fiziksel modellemesi için tasarım ilkelerini anahatlandırmamıza olanak sağlar. Sağlanan yapılar, prosedürler ve sonuçlar, 3D baskı ile moleküler yapı ve dinamiklerin bireysel üretim ve keşif için bir temel sağlar.
Introduction
Moleküler yapı inşası, moleküllerin şekli ve etkileşimleri anlayışımızın keşfi ve doğrulanması için uzun zamandır kritik bir unsur olmuştur. Fiziksel model bina Pauling ve arkes yapısı nın proteinlerde α-sarlis yapısının belirlenmesinde motive edici bir unsur oldu1, suyun birincil clathrate hidrat yapıları2,3, ve Watson ve Crick tarafından DNA çift sarlak yapısı4. James Watson'ın DNA yapısının yayınlanmış anlatımında, fosfor atomları yapmak için model karbon atomlarının etrafına bakır bir tel sarma, atomların tehlikeli derecede hassas süspansiyonları ve makinedükkanındankalay kesitlerini beklerken bazların karton kesimleri yapmak gibi model yapıda karşılaşılan mücadelelerin çoğunu ayrıntılarıyla anlatır. Fiziksel modeller kimyasal eğitim ve deneyönemlibir yönü olmaya devam etse de, model yapımında bu tür mücadeleler büyük ölçüde hesaplamalı modelleme büyütme veya tamamen fiziksel yaklaşımlar yerine ile giderilmiştir 6,7,8,9.
2010 yılından bu yana, 3D baskı yaratıcı tasarım ve üretim için bir araç olarak benimsenmesi önemli bir büyüme gördü. Bu büyüme, teknolojinin geniş ticarileştirilmesine odaklanan bir dizi yeni şirketten çeşitli Erimiş Biriktirme Modelleme (FDM) yazıcılarının rekabeti ve kullanılabilirliği ile yürütülmüştür. Artan erişilebilirlik ile, kimya eğitimi ve deneysel laboratuvar ortamlarında bu teknolojilerin uygulanmasında eşzamanlı bir büyüme olmuştur10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. Bu süre zarfında, NIH 3D Print Exchange22gibi 3D modeller için hem ticari hem de açık topluluk depoları, 3D yazdırma için model sistemlerini daha erişilebilir hale getirmiştir, ancak bu modellerin çoğu belirli hedef moleküllerüzerinde ortalanmış olma eğilimindedir ve bağ bağlantısı ve türüne vurgu yapılarla basit statik yapılar sağlar. Daha genel atomik ve moleküler gruplar daha yaratıcı yapılar12,,23sağlayabilir ve dokunsal, dinamik ve moleküler yapılar için kuvvet duyarlı geribildirim ile genel yapı oluşturma etkinleştirebilirsiniz modelleri için bir ihtiyaç vardır.
Burada, doymuş hidrokarbonların dinamik moleküler modellerini oluşturmak için kolayca basılabilen ve monte edilebilen moleküler model yapı bileşenlerisi saiyoruz. Bileşen yapıları, laboratuvarımız ve üniversitemiz için genişletme ve sosyal yardım faaliyetleri için geliştirdiğimiz daha geniş bir kitin parçasıdır. Sağlanan parçalar emtia FDM 3D yazıcılarda polimer filament türleri çeşitli yazdırılabilir olarak tasarlanmıştır. Tek li ve çift ekstrüder FDM yazıcılardan farklı polimerler ve son işlem tekniklerini kullanarak model sonuçlarını savuruyoruz. Bu bileşenler ölçeklenebilir, daha büyük ders ayarlarında hem kişisel araştırma hem de gösteri için uygun model üretimi sağlar.
Bu raporun temel amacı, diğer araştırmacı ve eğitimcilere kimyasal yapı ayrıntılarını ve bilgilerini 3D baskı ile daha fiziksel yollarla çevirmelerinde yardımcı olmaktır. Bu amaçla, sikloneni farklı ölçeklerde birleştirerek ve manipüle ederek örnek bir uygulamayı vurguluyoruz. Altı üyeli halka sistemi konformasyonları giriş Organik Kimya derslerinde temel bir konu dur24, ve bu conformrler halka ve şeker yapıların reaktivitesinde bir faktör dür25,26,27. Baskılı modeller esnek anahtarlık conformersbenimsemek 24, ve halka dönüşüm yolları için gerekli kuvvet doğrudan araştırılmış ve nitel elle değerlendirilebilir.
Protocol
1. 3D yazdırma için model dosyalarının hazırlanması
NOT: Çok sayıda 3D yazıcı ve ücretsiz ve ticari baskı yazılımı, bu makalenin kapsamı dışında kesin talimatlar verir. Genel protokol süreci ve öneriler burada, listelenen yazılım ve 3D yazıcılarla gösterilen temsili modeller için belirli hususlar göz önünde bulundurularak verilmiştir (bkz. Malzemeler Tablosu). Okuyucunun yazıcısına özel özel üretici yönergeleri ve dilimleme yazılımı birleşimi, sağlanan önerilerden önceliklidir.
- Bu makaleyle ilişkili tamamlayıcı stereolitografi (.stl) dosyalarını indirin (Ek Dosyalar S1\u2012S5). Bu dosyaları dilimleyici programıyla bilgisayara yükleyin.
- dilimleyici programına C_atom_sp3, H_atom veya C C_bond dosyalarından birini içeri aktarın. Bir seçenek varsa birimler için milimetre biçimini kullanın. Yazılımda, ana pencerenin Modeller panelinin İçe Aktar düğmesini tıklatın veya Dosya çekme menüsünün altındaki Modelleri Al komutunu seçin. Ortaya çıkan dosya tarayıcısından uygun model dosyasını seçin.
- Hidrojen atomunun çift ekstrüder baskılar için hem H_atom_dual_bottom hem de H_atom_dual_top dosyaları almak. Bileşen modellerini hedef filament rengine göre hizalayın, gruplayın ve ilgili ekstrüder'e atayın.
- İçe aktarılan modeli istenilen boyuta ölçeklendirin. Bunun için, ana ekranda grafik modeli veya ana pencerenin Modeller panelinde listelenen model çift tıklatın. Bu eylem, hedef modelin çevirisi, döndürmeve ölçeklemesini sağlayan bir model düzenleme paneli açar. Temsili modeller, tüm ara bağlantı parçaları için %50, %100, %200 ve %320 ölçek için sunulmaktadır.
- Ölçekleri %100'den fazla olan C_atom_sp3 modeller için destek yapılarını etkinleştirin. Destek yapıları kullanılabilir, ancak genellikle diğer tüm modeller için gerekli değildir.
- %100 ve daha küçük ölçekli modeller için bir sal veya brim yapısını etkinleştirin. Düz taban, yatak yüzeyi ile yeterli teteye sahip olacağından, bu tür yapılar çoğu büyük model için gerekli olmamalıdır. Sallar, 3D baskı için iyi yapışmış bir ilk katman sağlamaya yardımcı olur, bu nedenle herhangi bir ölçekte ilk yazdırılan katmanın stabilitesinde herhangi bir güçlük varsa, sal yapısını etkinleştirmek, sal yapısı için gerekli malzeme pahasına daha başarılı baskılara yol açabilir.
- Yinelenen modeller Düzenle menüsünden Yinelenen Modeller seçeneğini seçerek ve ortaya çıkan iletişim kutusuna model parça sayısını girerek istediğiniz gibi bir dizi model oluşturmak. Ana pencerenin Modeller panelindeki Orta ve Düzenley düğmesine tıklayarak veya Edit pulldown menüsü altında Ortala ve Düzenle seçeneğini seçerek yapı platformunun merkezine yakın modeli düzenleyin.
NOT: Polilaktik asit (PLA) ile basılmış altı C_atom_sp3 modelinin örnek düzenlemesi için Şekil 1'e bakınız. Aynı renkteki birden çok küçük parçayı yazdırmak genellikle daha zaman açısından verimli olsa da, tek bir parçayı aynı anda yazdırmak en güvenli yöntemdir. Diziler halindeki parçaların yazdırma kalitesi, modeller arasında daha fazla filament geri çekme noktası gereksinimi nedeniyle genellikle daha düşüktür. Modellerin dizi baskıları da yazdırma sırasında düşen bir parça diğer parçaların yazdırılmasına engel olabileceğinden, hata olasılığı da artar.
Şekil 1: Benzer renkli atomlar veya bağlar diziler olarak basılabilir. Baskı verimliliğini hafif bir maliyetle artırmak için, renk benzeri parçalar diziler halinde kolayca yazdırılır. Burada, altı PLA karbon atomu birlikte basılmış, her biri bir anahat kenarlık yapısı ile küçük bir sal yapısı üzerinde konumlandırılmış. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
- Ana pencerenin İşlemler panelinden Ekle veya Düzenleme İşlemi Ayarlarını kullanarak hedef baskılar için uygun model işleme ayarlarını ayarlayın.
NOT: Kullanılan yazılım, yeni bir işlem eklerken veya ana pencerenin İşlemler panelinden Ekle veya Düzenleme İşlemi Ayarlarını tıklatarak bir işlemi düzenlerken PLA, ABS ve diğer kullanılabilir termoplastikler için seçilebilir varsayılan işleme ayarlarına sahiptir. Sağlanan moleküler model parçaları için özel ayarlamalar ve mantığı izleyin.- Model dolgu değerini %15 ile %25 arasında ayarlayın. Bu daha az filament kullanır ve daha hafif parçalar la sonuçlanır, ancak son monte yapılar fiziksel manipülasyon hayatta kalmak için yeterince güçlü olacaktır.
- Mümkünse veya bağlayıcı sekmelerinin dayanıklılığını artırmak için c-C_bond ve H_atom model parçalarının bağlayıcı bölgeleri için %100 dolgu ayarlarını kullanın.
- Yazdırma ayrıntılarını korumak için 0,2 mm veya daha küçük bir yazdırma katmanı kalınlığı seçin.
- İşlem ayarlarının Katman sekmesinde İlk Katman Hızını %25 ile %50 arasında bir değere ayarlayın. Yavaş basılmış bir ilk katman yazdırma yatağına yapışmayı artırır ve daha başarılı genel 3D baskılar neden olur.
- Yazıcı ekstrüderini ve yazıcı yatağı sıcaklıklarını seçilen yazıcı filament malzemesi için önerilen değerlere ayarlayın. Sağlanan sıcaklıklar başlangıç noktası önerileridir.
- PLA için Ekstruder = 215 °C'yi ayarlayın; Yatak = Isıtma yok.
- Polietilen tereftalat glikol modifiye (PETG) seti Ekstruder = 235 °C ve Yatak = 80 °C için.
- Akrilonitril bütadien stiren (ABS) seti Ekstruder = 245 °C ve Yatak = 110 °C için.
- C_atom_sp3 model parçaları için, kürenin altındaki yazdırma bozulmasını en aza indirmek için "Dış-İç" Anahat Yönü olan iki Anahat/Çevre Kabuğu kullanın. Bu seçenekler, İşlem ayarları penceresinin Katman sekmesinden kullanılabilir. Diğer tüm parçalar için daha temiz bir yüzey kaplaması için "Inside-Out" Anahat Yönü önerilir.
- Hizalanmış H_atom_dual_bottom ve H_atom_dual_top modellerinçift ekstrüder baskısını yapıyorsanız, isteğe bağlı olarak bir sızma kalkanı seçeneğini açın. Dilimleyici daha sonra aktif olmayan herhangi bir damlama polimer yakalayacak model etrafında ince bir duvar geometrisi üretecek, henüz hala sıcak, ekstrüder ucu.
- G-Code araç yolu oluşturmak için modeli yazdırma katmanlarına dilimleyin. Ana pencerede Yazdırmaya Hazırla! düğmesini tıklatın veya Kaldır menüsünün altındaki Yazdırmaya Hazırla seçeneğini seçin.
2. Parçaların basımı için yazıcının hazırlanması
- Isıtılmamış yataklar için yazıcı yatağının yüzeyini mavi boyacı bandıyla kaplayın. Mavi boyacı bandı ve ısıtmalı yataklar için poliimid bant bir alt tabaka ile yazıcı yatağının yüzeykat.
- Mavi ressamın bandına ince bir tutkal çubuğu uygulayın. Tutkal sopa polimer yatak yüzeyine baskı yapışma sını artıracaktır.
- Havalandırmalı bir muhafazayı yazıcı yatağının üzerine yerleştirin veya kapatın. Kasa, yazdırma ekinlerini bozabilecek hava akımlarını en aza indirir.
- PLA için, hızlı soğutma tercih edilirken tüm havalandırma portlarını açın. Mümkünse baskı sırasında yatak fanı açın.
- PETG için kademeli soğutma tercih edilirken sınırlı sayıda havalandırma portu açın. Bir yatak fan baskı sırasında gereksizdir.
- ABS için, çok kademeli soğutma tercih edilirken minimum sayıda havalandırma portu açın. Yazdırma sırasında yatak fanlarını kapatın.
- Yazıcı hazırlandıktan sonra G Kodunu bağlı yazıcıya göndermek ve yazdırma işlemine başlamak için "USB üzerinden yazdırmaya başla" düğmesini tıklayın.
3. Model yapılarının terbiyesi ve montajı
- Yazıcı yatağından parçaları çıkarın. Isıtmalı yatak baskıları söz konusu olduğunda, ayırma sırasında modelin bozulmasını önlemek için yatak soğuduktan sonra parçaları çıkarın.
- Kullanılırsa parçaların tabanından sal veya brim yapılarını çıkarın. Kalan ekli sal filamentlerini çıkarmak için model kısmının tabanını orta ve ince kum kağıdıyla ovun.
- Yüzey kusurlarını gidermek için orta (120 kum) ile çok ince (320 kum) zımpara kağıdı ile C_atom_sp3 model parçaların tabanını zımparalayın. Çok ince kum zımpara kağıdı ile yüzeyi pürüzsüzleştirin. Dakikada düşük devir de bir parlatma bezi veya tampon tekerlek ile istenilen bitirmek için yüzey parlatma.
NOT: Örneğin, 10.000 rpm'ye ayarlanmış 0,5 inç çapında tampon tekerleği olan bir Dremel aracı, baskıyı aşırı ısıtmamaya ve yüzey kusurlarına neden olmaya özen göstermek için parlatma için kullanılabilir.- PLA: Baskılar genellikle Şekil 2'dekipanellerde gösterildiği gibi baskıdan sonra hafif parlak bir kaplamaya sahiptir. Bu yüzey kaba zıpzama ile gölgelenir, ancak parlak yüzey parlatma ile geri yüklenebilir.
- PETG: Baskılar genellikle zımparalanabilir ve PLA ile olduğu gibi parlatma ile restore edilebilir biraz parlak bir yüzey var.
- ABS: Baskılar genellikle baskıdan sonra mat veya sadece marjinal parlak bir kaplamaya sahiptir (Şekil 3A). Parlak bir yüzey(Şekil 3B),parçaları 1\u20122 s için bir aseton banyosuna ayrı ayrı batırıp aseton buharlaşana ve yüzey genellikle 12\u201224 h içinde katılaşana kadar havalandırılan bir alana yerleştirerek elde edilebilir.
DİkKAT: Aseton yanıcıdır ve duman kaputunda veya çok iyi havalandırılan bir alana az bir şekilde uygulanmalıdır. ABS aseton içinde çözünür, bu nedenle kötü tavlama nedeniyle katman ayırma kusurları olan parçalar sıvı aseton ile tedavi edilmemelidir. Aseton bu tür kusurlar yoluyla modellere girecek ve model dolgusu çözecek (Şekil 3C). Aseton buharı ile parlatma benzer bir etkiye neden olacak yavaş bir süreçtir, güvenlik önlemleri aseton yanıcı göz önüne alındığında alınmalıdır rağmen.
Şekil 2: Çift ekstrüder baskılar görsel olarak daha rafine edilebilir. (A) Çift ekstruder modeli hidrojen atom baskılar görsel olarak daha uyumlu (B) tüm beyaz model hidrojen atom baskılar. (C) Tam sikloheksane halkaları oluşturmak için birbirine bağlandığında, monte edilmiş PLA modelleri işlevsel olarak aynıdır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: ABS modelleri parlak bir yüzey için kimyasal olarak işlenebilir. (A) ABS model baskılar daha yaygın veya mat bir görünüme sahip olma eğilimindedir, ancak (B) kimyasal aseton kısa bir dalış ile parçaları tedavi ettikten sonra onlar yüksek parlak bir yüzey kazanmak. (C) Eğer aseton, tabaka ayırma kusurları yoluyla baskının iç bölümüne girerse, aseton modeli içten dışa doğru eritir ve çökmesine neden olur. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
- C-C_bond ve H_atom model parçalarının konektör uçlarını, istenilen yapıştırma topolojisine göre C_atom_sp3 model parçalarıüzerinde soketlere yerleştirin. Duyulabilir bir tıklama duyulana kadar model parçalarını bir araya getirin. Bağlandıktan sonra, tek bağ parçalanmadan bu bağlantı hakkında serbestçe dönmelidir.
NOT: Bağlantı sığdırma sıkıdır, bu nedenle %100'den fazla ölçekleme olan modeller için önemli bir güç gerektirebilir. Sağlanan parçalar birbirine bağlandıktan sonra ayrılması amaçlanmamıştır, ancak çok önemli bir uygulamalı kuvvetle ayrılabilir. Bağlı bir bağ hakkında döndürme sağlanan parçalar ve modeller için istenen bir özelliktir. Kilitleme dönüşü, bağ modelinin sonundaki sekmelerin aralıkları arasına yer veren bağlantı soketindeki sabit bir yapıya sahip bir atom modeli (örneğin sp2 hibrid karbon) gerektirir. - Tüm basılı parçaları istenilen moleküler yapıya göre monte edin. H_atom model parçası ile herhangi bir açık soket doldurarak tüm C_atom_sp3 model parçaları doygunluk. Sikloheksane gibi bir halka için, C_atom_sp3 model parçaları arasında bir C-C_bond modeli parçası ile halka kapatın.
Representative Results
Sağlanan protokol interaktif moleküler model yapımı için çeşitli potansiyel seçenekleri kapsamaktadır. Bu model parçaları kullanarak moleküler montaj için temel ve birleştirici bir örnek olarak, çeşitli ölçeklerde interaktif sikloheksane yapıları monte etmeyi seçtik. Şekil 2 bu yapı için gerekli parçaları gösterir: altı C atomu, altı C-C bağı ve on iki H atomu. Bu özel baskılar, Malzeme Tablosu'ndalistelenen her iki yazıcı kullanılarak işlenmiştir. Daha pahalı çift ekstrüder yazıcı çift renkli bileşenlerin üretimini sağlar; burada bağın orta noktasında renk değişimi ile iki renkli hidrojen atomu yapıları (Şekil 2A). Şekil 2B'deki mono renkli hidrojenler, bir sızma kalkanı yapısının olmaması ve aktif ekstrüderler arasında geçiş te polimer geri çekilmelerinin olmaması nedeniyle %50\u201260 daha az sürede baskı yapılır. Birleştirilmiş sikloheksane yapılar(Şekil 2C)fonksiyonel olarak eşdeğerdir, ancak çift ekstrüder baskıları orta derecede daha rafine görünme eğilimindedir.
Şekil 2'deki PLA modelleri, abs modellerinden daha rafine olan oldukça güzel bir kaplamaya sahiptir(Şekil 3A). ABS modellerinin aseton lu kimyasal işlemesi, yüzeye neredeyse ıslak bir görünüm veren pürüzsüz ve yüksek parlak bir yüzey sağlar(Şekil 3B). Abs modelleri iyi tavlanmış değil, özellikle bu tür terbiye zahmetli olabilir. ABS ile basılan büyük modeller katman ayırma kusurlarına yatkındır. Katman ayırma kusurları, ekstrüzyon bir sonraki katmanı döşemek için üzerinden geçemeden önce önceki katman soğuduğunda meydana gelir. Büyük ABS baskıları için yazıcının ısıtma yatağının etrafındaki ortamın soğutma hızını yavaşlatmak için eşit ve sıcak bir sıcaklıkta kalması kritik öneme sahip. Bir katman defekti olan bir baskı aseton batırılmış ise, aseton modeli girecek ve iç destek yapısını eritecek. Bu, Şekil 3C'degösterildiği gibi modeli içeriden daraltacaktır.
Görsel olarak farklı bir görünüm, model yapılarının işlevselliğinden ikincildir. Konektörler tek bağlar hakkında serbest rotasyon sağlamak için tasarlanmıştır. Farklı sistemlerde kendi yarar test etmek için, parça boyutları dört farklı setleri basıldı, karbon atomu çapı 17.5 mm, 35 mm, 70 mm ve 112 mm çalışan. Birleştirilmiş siklohekzan yapıları(Şekil 4)ilgili konfüçücüleri aynı şekilde esnetebilir, deforme etmeyi ve benimsemeyi başardılar. Bu modellerin en küçüğü, bu boyutu potansiyel olarak çok küçük ve parçaların göreli boyutu tweaking olmadan tavsiye edilmez yapma, baskı kusurları için en eğilimli oldu. Küçük baskılar için birincil avantajlarından biri baskı hızıdır. En büyük boyuttaki tek bir karbon atomu için gerekli olan 10 saatile karşılaştırıldığında, yaklaşık 2 saat içinde basılan en küçük karbon atomlarından altısı. Yazdırmak yavaş olsa da, büyük modeller, küçük bir yapının hareketini uzaktan görmenin zor olacağı ders ayarlarında iletişim için potansiyel olarak daha etkilidir.
Şekil 4: Modeller çeşitli ölçeklerde işlevseldir. Modellerin farklı amaçlarla nasıl yazdırılabildiğini göstermek için, sikloheksane modelleri dört farklı ölçekte monte edildi ve hepsi aynı işlevselliği korudu. En büyük karbon atomları bir softball daha büyük (112 mm çapında) küçük monte sikloheksane bir softball içine sığabilir iken. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Dinamik yönü diğer yazdırılabilir moleküler modellerden bu yapıları ayıran önemli özniteliklerden biridir. Atomlar birbirlerine göre kolayca dönebildiği için, yapılar siklohekzanın farklı temsili konkordatolarına yapışacak şekilde deforme edilebilir. Şekil 5, kendi konfigürasyon alanları arasında dönüşüm için sandalye, tekne ve geçiş durumu yapısını gösterir. Bu geçiş durumu noktası neredeyse düzlemsel geometri24dörtetiketli karbon atomları vardır ,28, aynı geçiş durum yapısı bir B3LYP/6-311 +G (2d,p) hesaplamaları29yapıyor elde eder . Aynı geçiş durumu hayali frekans hareketini takiben, 2 yukarı ve 3'ü hafifçe bükerek modeli tekne konformerrına oturtacak, hafifçe büküm 2 aşağı ve 3 yukarı ise yapıyı sandalye konsültaline döndürecek.
Şekil 5: Siklohekzan konicilertamamen erişilebilir. Atomlar bağları hakkında döndürebilir gibi, modeller sterically kilitli sandalye ve daha konformasyonel serbest tekne formları benimseyebilir. Bu formlar arasındaki geçiş durumu halkadaki dört neredeyse koplanar karbon atomu içerir. Hafifçe büküm 2 ile 3 aşağı tekne conformer modeli kayma olacak, büküm 2 aşağı 3 yukarı sandalye conformer modeli dönecektir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Devlet noktası serbest enerji tahminleri (Ek Tablo S1) B3LYP/6-311 +G(2d,p) optimize durum noktalarının hesaplamaları (Ek Dosyalar S6\u2012S9) 298,15 K termal enerjiye çok yakın olan 0,8 kcal/mol büküm ve tekne konfileri arasında bir boşluk verir. Bu, bunlar arasındaki dönüşümün neredeyse serbestçe örneklemesi gerektiğini önerir. Sandalye konformasyoncu suve dönüşüm geçiş durumu arasındaki boşluk bu değerin on katından fazladır ve bu da sandalyenin konformasyonel olarak kilitlenmiş olması gerektiğini gösterir. Bu Şekil 6gösterilmiştir , her karbon atom yeri göreceli halka düzlemi bir gaz fazı moleküler dinamikleri hesaplama 30 ,,31boyunca bir küre üzerine yansıtılır zaman tahmini ortalama konformer enerji gösterir .30 Soldaki sandalye konsültöründe, karbon atomları halka düzleminin üstünde veya altında yer aldığında enerji düşüktür, ancak halka düzlemi ile hizaya gelmek için yer değiştirmesi halinde önemli ölçüde yükselir. Tekne konsültör olarak, karbonlar halka düzlemde olduğunda konformer enerji nispeten düşük (büküm tekne devlet), ve daha yüksek yerinden tekne konsültör büyük ölçüde daha yüksek bir enerji de değildir. Bu konfigürasyon manzaralar 3D baskılı sikloheksan modelleri ile keşfedilebilir, sandalye conformer sadece yerel olarak titreşmek mümkün olan tekne konterbiradüzgün bir çift karşıt karbon atomları diğerine undulate olabilir.
Şekil 6: Model davranışı hesaplamaları eşleşir. Sandalye ve tekne konkordatosu durumlarında, moleküler dinamik hesaplaması boyunca halka düzlemi hakkında karbon atomlarının enlemsel yer değiştirmesi, çevreleyen bir kürenin yüzeyine yansıtılabilir. Sandalye formu en enerjik kararlı iken, kilitli ve sadece yüksek enerji geçiş durumundan geçerek ters forma dönüştürebilirsiniz. Hem hesaplamalar hem de baskılı model esnekliği, tekne ve büküm teknesi konforyatörlerinin 298.15 K'da 1 kBT'ye yakın olarak ayrıldığını ve bu formda karbon atomlarının neredeyse serbest çeşnisel olarak yer değiştirmesini sağlar. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Tablo S1: Devlet noktası serbest enerji tahminleri. Bu tabloyu indirmek için lütfen buraya tıklayınız.
Ek Dosya 1. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayınız.
Ek Dosya 2. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayınız.
Ek Dosya 3. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayınız.
Ek Dosya 4. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayınız.
Ek Dosya 5. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayınız.
Ek Dosya 6. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayınız.
Ek Dosya 7. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayınız.
Ek Dosya 8. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayınız.
Ek Dosya 9. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayınız.
Discussion
Bu çalışmanın temel amacı, emtia 3D yazıcılar ile dinamik moleküler modellerin işçiliği için bir protokol rapor etmektir. Bu yazıcılar giderek daha erişilebilir, hatta genellikle kütüphanelerde kullanmak için ücretsiz, ve diğer yerlerde. Başlamak, hem yazdırırılacak modeller hem de kullanılacak malzemeler hakkında seçimler yapmayı ve bu seçeneklerden karar vermek, yaratıcı katkı maddesi üretiminin araştırma ve öğretim için neler yapabileceğine dair biraz ilham gerektirebilir. Bu sorunları gidermek için, bazı pratik malzeme önerileri, önerilen model parçaları, bir 3B yazdırma protokolü ve her biri daha fazla tartışmayı gerektirecek bir örnek uygulama sağlarız.
3D baskıda kullanılmak üzere termoplastik birçok seçenek vardır. Bu üç malzeme şu anda do-it-yourself 3D baskı için en yaygın olarak kullanılabilir olduğu gibi sunulan protokolüç vurgulamak. Seçim, hangi malzemenin kullanılabilir bir 3D yazıcı tarafından desteklendirilene bağlı olabilir, örneğin birçok açık erişim tesisi yalnızca çevresel kısıtlamalar nedeniyle PLA ile yazdırılır. PLA, hafif sıcaklık ayarları ile bir baskı protokolü olan bir biyobozunur ve kompostlanabilir malzemedir. PETG son derece geri dönüştürülebilir polietilen tereftalat (PET) dayanmaktadır ve sonunda PET gibi daha geniş yayılmış yeniden işleme görebilirsiniz rağmen hem ABS ve PETG, daha az çevre dostu ve genellikle geri dönüşümlü değildir. Sürdürülebilir baskı uygulamaları, hem baskı kalitesi hem de baskı başarısı sağlamak için bir seferde birkaç parça yazdırmayı içerir, bu süre az atılmış malzemeyi (destek yapıları, sallar, sızıntı kalkanları, vb.) mümkün olduğunca kullanır. PLA kırılgan olabilir, bu nedenle varsa, ABS ve PETG termoplastikler sırasıyla daha mekanik olarak esnek ve geliştirilmiş katman yapışması baskılara neden olabilir. Bu özellikler, laboratuvar veya sınıf ortamında düzenli manipülasyon görecek etkileşimli bir moleküler model için isden edilebilir.
Burada sunulan modeller bu hususları göz önünde bulundururlar, ancak öncelikle dinamik moleküler model yapımını sağlamak için birlikte çalışacak şekilde tasarlanırlar. Varsayılan ölçekte, etkileşimli moleküler yapılara başarılı bir şekilde monte edilecekler. Bağlantı uçları daha büyük boyutta deforme etmek daha kolay olduğundan montaj daha fazla güç gerektirse de, bunlar kolayca büyük modellere ölçeklendirilebilir. Bileşenleri küçültmede, karbon atomu modelini %48\u201249'a küçültmek ve pla baskılı parçalar arasında daha sıkı bağlantılar sağlamak için bağı ve hidrojen atomunu %50'de tutmak gibi küçük değişikliklerle birlikte boyut olarak %50'lik bir azalma devam edecektir. Bu küçük modeller daha hassas ve genellikle başarıyla yazdırmak için sal yapıları gerektirir, ama yine de dinamik moleküler modeller olarak işlevseldir.
Termoplastik malzeme ve baskı için seçilen modeller bir 3D baskı protokolünün en kritik iki yönüdür. Seçilen termoplastik sıcaklık, yapışma, annealing dikte edecek ve değerlendirmeler ve seçenekleri bitirme. Mevcut 3D yazıcıısılan yatak yoksa, PLA parçaları tekrartekrar yazdıracak sunulan termoplastik seçeneklerden sadece biridir. Sağlanan parçalar farklı termoplastiklerle tekrartekrar baskı yapmak ve dinamik manipülasyona dayanacak şekilde tasarlanmış olsa da, baskılar, artan stres altına yerleştirildiğinde genellikle baskı katmanları arasında, kullanım ve çatlakla birlikte bozulacaktır. Bu gibi durumlarda, bir yedek parça yazdırmak kolay ve nispeten uygun maliyetlidir.
Sağlanan modellerden yazdırılan moleküler derlemelerin dinamik işlevselliği, bu çalışmayı öncelikle bağlantı ve yapıştırma türlerini vurgulayan diğer kullanılabilir ve 3D yazdırılabilir modellerden ayırır. Dinamik yönleri örnek sikloheksane yapısı ile küçük bir kısmı sunulmaktadır. Sikloheksane konfigürasyon manzara doğrudan elle bu modelleri kullanarak erişilebilir, ve bu manzara topolojileri hesaplamalı araştırmalar ile genel olarak anlaşma vardır. Bunların çoğu, moleküler geometrinin özelliklerine ve bu fiziksel modelleme bileşenlerindeki özgürlük derecelerine saygı dan kaynaklanıyor. Linus Pauling'in α-saris1'inyapısını keşfetmedeki başarıları hakkındaki yorumunda, çağdaşlarının idealist integral varsayımlardan gelen güçlüklerle karşılaştıklarını ve "... daha basit maddeler le ilgili araştırmalarımız da belirtildiği gibi, konjuge amid grubunun atomik mesafeleri, bağ açıları ve düzlemselliği ile ilgili gereksinimlere kabaca bir yaklaşım." Bu doğrultuda daha nicel içgörü, bu model parçalarının yapımında dikkate alınan hususlardan daha spesifik ayrıntılar gerektirir, ancak bu modeller ve öneriler moleküler sistemlerin genel etkileşimli fiziksel incelemesi için bir temel sağlar. Bu modeller, bu rapordan önce birkaç yıldır araştırma ve sosyal yardım faaliyetleri için ürettiğimiz 3D yazdırılabilir model kitlerinin bir uzantısıdır ve hem bu modeller hem de açıklanan protokolle uyumlu ek bileşen parçaları daha çeşitli yapıştırma düzenlemeleri ve dinamik eylem sağlamak için yazarlar tarafından kullanılabilir.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma Grant No altında Ulusal Bilim Vakfı (NSF) tarafından desteklenmiştir. 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).
