利用3D打印进行互动式分子模型组装

3D打印是一项日益普及且易于获取的技术。本方案可用于打印和组装能够保留真实分子系统动态特性的物理分子模型。对分子模型的交互通常仅限于展示原子间的连接关系。

3D打印可以推动对这类体系构象的探索，以及在多种尺度下对分子运动的研究。在静态的论文中很难传达分子的运动状态，因此能够观察模型如何被打印、组装和操作显得尤为有价值。

为准备用于3D打印的模型文件，请下载提供的补充性立体光刻文件，并将这些文件上传至安装有切片软件的计算机。在切片软件中导入碳原子_SP3、氢原子或碳-碳键文件中的任意一个，并在选项可用时选择以毫米为单位的格式。在主窗口的模型面板中点击“导入”，然后在弹出的文件浏览器中导入氢原子双底面和氢原子双顶面文件。

为了将导入的模型缩放至所需尺寸，可在主显示界面中双击该图形模型，打开一个模型编辑面板，从而实现对目标模型的平移、旋转和缩放操作。若需复制模型以生成模型阵列，请从“编辑”菜单中选择“复制模型”选项，并在弹出的对话框中输入模型部件的数量。在主窗口的模型面板中点击“居中并排列”，将模型排列至构建平台中心附近，然后在主窗口的工艺面板中使用“添加”功能，为目标打印设置适当的模型加工参数。

然后将模型切分为打印层以生成 G 代码刀具路径，并在主窗口中点击“准备打印”按钮。为准备打印机进行模型打印，需在未加热的打印平台表面贴上蓝色美纹纸，并使用胶棒在美纹纸上均匀涂抹一层薄薄的聚合物。随后在打印平台周围安装带通风口的封闭罩，以减少可能干扰打印件退火过程的气流。

打印完成后，从打印机平台取下打印件，并移除零件底部的筏板或边缘结构（如果使用了这些结构）。使用中等至细粒度的砂纸打磨模型部件的底面，以去除任何残留的附着筏丝。使用120至320粒度的砂纸打磨carbon_atom_SP3模型部件的底面，以消除任何表面缺陷。

接下来，使用320目砂纸打磨表面，并用抛光布将表面抛光至所需光洁度。当所有部件均完成抛光后，根据所需的成键拓扑结构，将碳-碳键和氢原子模型部件的连接端插入碳_atom_SP3模型部件上的插孔中。用力将模型部件压合，直至听到明显的咔嗒声。

连接后，单键应能围绕该连接自由旋转而不分离，然后根据所需的分子结构组装其余打印部件，并用氢原子模型部件填充所有未连接的插槽，以使所有碳原子_SP3模型部件达到饱和。对于环状的环己烷，使用碳-碳键模型部件连接碳原子_SP3模型部件以形成环状结构。以下是构建交互式分子模型所需的部件。

六个碳原子、六条碳-碳键和十二个氢原子。由于无需生成新的渗出防护结构，且在切换活动挤出头时不会发生聚合物回抽，这些单色氢原子的打印时间大约缩短了50%至60%。组装后的环己烷结构在功能上是等效的，即使双挤出头打印的结构外观上通常显得略微更精细一些。

与直接从打印机打印出的ABS模型相比，PLA模型的表面相对更精细。丙酮处理可使模型表面变得光滑并具有高光泽度。但需要注意的是，丙酮也可能溶解内部支撑结构以及存在层间缺陷的模型，从而导致模型坍塌。

组装的环己烷结构均能够以相同的方式进行弯曲、扭曲并采取相应的构象体。在这些模型中，最小的模型最容易出现打印缺陷，因此该尺寸可能过小，除非调整部件的相对大小，否则不推荐使用。虽然大型模型打印较慢，但在讲座环境中可能更有利于教学展示。

由于原子之间可以自由旋转，这些结构能够发生扭曲，从而快速转变为环己烷的不同典型构象。与分子模拟中类似，椅式构象的势阱受到限制，可发生的运动较为受限，而船式构象势阱中的结构则能够流畅地转变为多种船式和扭船式构象。打印平台的准备对于确保第一层良好粘附至关重要。

如果没有这一层，打印很可能会失败。本实验方案以环己烷模型为例，但使用所提供的 stl 文件可以打印并组装任何交互式的饱和烃模型。