Interaktive molekulare Modellbaugruppe mit 3D-Druck

Summary

Die physikalische Modellierung mikroskopischer Systeme hilft dabei, Erkenntnisse zu gewinnen, die auf andere Weise nur schwer zu gewinnen sind. Um den Aufbau physikalischer molekularer Modelle zu erleichtern, zeigen wir, wie 3D-Druck verwendet werden kann, um funktionale makroskopische Modelle zusammenzustellen, die Qualitäten molekularer Systeme auf taktile Weise erfassen.

Abstract

Mit der zunehmenden Zugänglichkeit des 3D-Drucks wächst die Anwendung und das Interesse an additiven Fertigungsprozessen in chemischen Laboratorien und der chemischen Ausbildung. Aufbauend auf der langen und erfolgreichen Geschichte der physikalischen Modellierung molekularer Systeme präsentieren wir ausgewählte Modelle zusammen mit einem Protokoll, um den 3D-Druck molekularer Strukturen zu erleichtern, die mehr können als Form und Konnektivität darstellen. Die beschriebenen Modelle integrieren dynamische Aspekte und Freiheitsgrade in gesättigte Kohlenwasserstoffstrukturen. Als repräsentatives Beispiel wurde Cyclohexan aus Teilen zusammengesetzt, die mit verschiedenen Thermoplasten bedruckt und veredelt wurden, und die resultierenden Modelle behalten ihre Funktionalität in einer Vielzahl von Maßstäben. Die resultierenden Strukturen zeigen konfigurationsbezogene Raumzugänglichkeit, die mit Berechnungen und Literatur konsistent ist, und Versionen dieser Strukturen können als Hilfsmittel verwendet werden, um Konzepte zu veranschaulichen, die auf andere Weise schwer zu vermitteln sind. Diese Übung ermöglicht es uns, erfolgreiche Druckprotokolle auszuwerten, praktische Empfehlungen für die Montage abzugeben und Konstruktionsprinzipien für die physikalische Modellierung molekularer Systeme zu skizzieren. Die bereitgestellten Strukturen, Verfahren und Ergebnisse bilden eine Grundlage für die individuelle Herstellung und Erforschung molekularer Struktur und Dynamik mit 3D-Druck.

Introduction

Der Aufbau molekularer Strukturen ist seit langem ein kritischer Aspekt für die Entdeckung und Validierung unseres Verständnisses der Form und der Wechselwirkungen zwischen Molekülen. Der physikalische Modellbau war ein motivierender Aspekt bei der Bestimmung der -helix-Struktur in Proteinen durch Pauling et al.¹, die primären Clathratehydratstrukturen von Wasser^2,3, und die Doppelhelixstruktur der DNA von Watson und Crick⁴. α In James Watsons veröffentlichtem Bericht über die DNA-Struktur beschreibt er viele der Kämpfe, die in einem solchen Modellbau zu kämpfen haben, wie das Umwickeln eines Kupferdrahtes um Modellkohlenstoffatome, um Phosphoratome herzustellen, prekär empfindliche Suspensionen von Atomen und die Herstellung von Pappausschnitten von Basen, während er auf Zinnausschnitte aus der Maschinenhalle⁵wartet. Solche Kämpfe im Modellbau wurden weitgehend durch die Berechnungsmodellierung behoben, die physikalische Ansätze erweitert oder vollständig verdrängt, obwohl physikalische Modelle ein wesentlicher Aspekt in der chemischen Erziehung und Erprobung^6,7,8,9bleiben.

Seit etwa 2010 hat der 3D-Druck eine deutliche Zunahme der Einführung als Werkzeug für kreatives Design und Fertigung verzeichnet. Dieses Wachstum wurde durch den Wettbewerb und die Verfügbarkeit einer Vielzahl von Fused-Deposition Modeling (FDM)-Druckern aus einer Reihe neuer Unternehmen angetrieben, die sich auf eine breite Kommerzialisierung der Technologie konzentrierten. Mit der wachsenden Zugänglichkeit, hat es ein gleichzeitiges Wachstum in der Anwendung dieser Technologien in der Chemie-Ausbildung und experimentelle Labor-Einstellungen^{10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21}. Während dieses Zeitraums haben sowohl kommerzielle als auch offene Community-Repositorys für 3D-Modelle, wie z. B. der NIH 3D Print Exchange^22,Modellsysteme für den 3D-Druck zugänglicher gemacht, obwohl viele dieser Modelle in der Regel auf bestimmte Zielmoleküle ausgerichtet sind und einfache statische Strukturen mit einem Schwerpunkt auf Bindungskonnektivität und -typ bieten. Allgemeinere atomare und molekulare Gruppen können kreativere Konstruktionen^{ermöglichen 12,23}, und es besteht ein Bedarf an Modellen, die eine allgemeine Strukturerstellung mit taktilen, dynamischen und kraftempfindlichen Rückkopplungen für molekulare Strukturen ermöglichen können.

Hier präsentieren wir molekulare Strukturkomponenten, die leicht bedruckt und zu dynamischen molekularen Modellen gesättigter Kohlenwasserstoffe zusammengesetzt werden können. Die Komponentenstrukturen sind Teil eines breiterangelegten Kits, den wir für Erweiterungs- und Öffentlichkeitsarbeit für unser Labor und unsere Universität entwickelt haben. Die mitgelieferten Teile wurden so konstruiert, dass sie mit einer Vielzahl von Polymer-Filamenttypen auf FDM 3D-Druckern bedruckbar sind. Wir präsentieren Modellergebnisse mit verschiedenen Polymeren und Veredelungstechniken von Ein- und Zweiextruder-FDM-Druckern. Diese Komponenten sind skalierbar und ermöglichen die Modellfertigung, die sowohl für persönliche Untersuchungen als auch für Demonstrationen in größeren Vorlesungsumgebungen geeignet ist.

Das Hauptziel dieses Berichts besteht darin, andere Forscher und Pädagogen bei der Übersetzung chemischer Strukturdetails und -kenntnisse auf physischere Weise mit dem 3D-Druck zu unterstützen. Zu diesem Zweck heben wir eine Beispielanwendung hervor, indem wir Cyclohexan in verschiedenen Maßstäben zusammenstellen und bearbeiten. Sechs-köpfige Ringsystem-Konformationen sind ein Kernthema in den Einführungskursen der Organischen Chemie²⁴, und diese Konformer sind ein Faktor in der Reaktivität von Ring- und Zuckerstrukturen^25,26,27. Die gedruckten Modelle übernehmen flexibel die Schlüsselringkonformer²⁴, und die für Ring-Interkonversionswege benötigte Kraft kann direkt von Hand erkundet und qualitativ ausgewertet werden.

Protocol

1. Erstellung von Modelldateien für den 3D-Druck

HINWEIS: Die große Anzahl von 3D-Druckern und kostenlose und kommerzielle Drucksoftware machen genaue Richtungen, die über den Rahmen dieses Artikels hinausgehen. Allgemeine Protokollverfahren und Empfehlungen werden hier bereitgestellt, wobei spezifische Überlegungen für repräsentative Modelle mit der aufgeführten Software und 3D-Druckern gegeben werden (siehe Tabelle der Materialien). Spezielle Herstelleranweisungen, die für einen Lesedrucker und eine Softwarekombination für das Schneiden spezifisch sind, haben Vorrang vor den bereitgestellten Empfehlungen.

1. Laden Sie die zusätzlichen Stereolithographiedateien (.stl) herunter, die diesem Artikel zugeordnet sind (Supplementary Files S1-u2012S5). Laden Sie diese Dateien mit dem Slicer-Programm auf den Computer hoch.
2. Importieren Sie eine der C_atom_sp3-, H_atom- oder C-C_bond-Dateien in das Slicerprogramm. Verwenden Sie das Millimeterformat für die Einheiten, wenn eine Option verfügbar ist. Klicken Sie in der Software entweder auf die Schaltfläche Import im Bedienfeld "Modelle" des Hauptfensters, oder wählen Sie den Befehl Modelle importieren im Menü Dateipulldown aus. Wählen Sie die entsprechende Modelldatei aus dem resultierenden Dateibrowser aus.
   1. Importieren Sie sowohl H_atom_dual_bottom als auch H_atom_dual_top Dateien für Dual-Extruder-Drucke des Wasserstoffatoms. Ausrichten, gruppieren und zuweisen Sie die Komponentenmodelle dem entsprechenden Extruder basierend auf der Zielfilamentfarbe.
3. Skalieren Sie das importierte Modell auf die gewünschte Größe. Doppelklicken Sie dazu entweder auf das grafische Modell im Hauptdisplay oder auf das aufgelistete Modell im Bedienfeld "Modelle" des Hauptfensters. Mit dieser Aktion wird ein Modellbearbeitungsfenster geöffnet, das die Übersetzung, Drehung und Skalierung des Zielmodells ermöglicht. Repräsentative Modelle werden für 50 %, 100 %, 200 % und 320 % für alle Verbindungsteile vorgestellt.
   1. Aktivieren Sie Unterstützungsstrukturen für C_atom_sp3 Modelle mit Einer Skala von mehr als 100 %. Stützstrukturen können verwendet werden, sind aber in der Regel nicht für alle anderen Modelle notwendig.
   2. Aktivieren Sie eine Floß- oder Krempe für 100% und kleinere Modelle. Solche Strukturen sollten für die meisten größeren Modelle nicht notwendig sein, da die flache Basis ausreichend Kontakt mit der Bettoberfläche hat, um an Ort und Stelle zu bleiben. Rafts helfen dabei, eine gut verkonierte erste Schicht für einen 3D-Druck bereitzustellen, so dass, wenn es irgendwelche Schwierigkeiten in der Stabilität der ersten gedruckten Schicht in jedem Maßstab gibt, die Aktivierung einer Floßstruktur zu erfolgreicheren Drucken auf Kosten des Materials führen könnte, das für die Floßstruktur benötigt wird.
4. Duplizieren Sie Modelle, um ein Array von Modellen nach Belieben zu generieren, indem Sie im Menü Bearbeiten die Option "Doppelte Modelle" auswählen und die Anzahl der Modellteile in das resultierende Dialogfeld eingeben. Ordnen Sie das Modell(e) in der Nähe der Mitte der Buildplattform an, indem Sie im Bedienfeld "Modelle" im Hauptfenster auf die Schaltfläche Mitte und Anordnen klicken oder die Option Mitte und Anordnen im Pulldown-Menü Bearbeiten auswählen.
   HINWEIS: Siehe Abbildung 1 für eine Beispielanordnung von sechs C_atom_sp3 Modellen, die mit Polymilchsäure (PLA) bedruckt sind. Es ist am sichersten, ein einzelnes Teil gleichzeitig zu drucken, obwohl das Drucken mehrerer kleiner Teile derselben Farbe in der Regel zeiteffizienter ist. Die Druckqualität von Bauteilen in Arrays ist oft geringer, da mehr Filamentrückzugspunkte zwischen Denmodellen erforderlich sind. Arraydrucke von Modellen haben auch eine erhöhte Ausfallwahrscheinlichkeit, da ein gefallenes Teil während des Drucks das Drucken anderer Teile beeinträchtigen kann.

Abbildung 1: Likefarbene Atome oder Bindungen können als Arrays gedruckt werden. Um die Druckeffizienz bei geringen Qualitätskosten zu erhöhen, werden Teile ähnlicher Farbe leicht in Arrays gedruckt. Hier werden sechs PLA-Kohlenstoffatome zusammengedruckt, die jeweils auf einer kleinen Floßstruktur mit einer umrissenen Krempe strukturiert sind. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

5. Legen Sie die entsprechenden Modellverarbeitungseinstellungen für Zieldrucke mithilfe von Prozesseinstellungen hinzufügen oder bearbeiten im Bedienfeld "Prozesse" des Hauptfensters fest.
   HINWEIS: Die verwendete Software verfügt über wählbare Standardverarbeitungseinstellungen für PLA, ABS und andere verfügbare Thermoplaste beim Hinzufügen eines neuen Prozesses oder beim Bearbeiten eines Prozesses, indem Sie im Bedienfeld "Prozesse" des Hauptfensters auf hinzufügen oder auf die Bearbeitungseinstellungen klicken. Spezifische Anpassungen und Begründungen für die bereitgestellten molekularen Modellteile folgen.
   1. Legen Sie den Modellfüllwert zwischen 15 % und 25 % fest. Dies wird weniger Filament verwenden und zu leichteren Teilen führen, aber die endgültigen zusammengesetzten Strukturen werden stark genug sein, um physische Manipulation zu überleben.
   2. Verwenden Sie 100 % Fülleinstellungen für die Steckverbinderbereiche von C-C_bond und H_atom Modellteile, wenn möglich oder bei Bedarf, um die Haltbarkeit von Steckerlaschen zu erhöhen.
   3. Wählen Sie eine Druckschichtdicke von 0,2 mm oder kleiner aus, um die Druckdetails beizubehalten.
   4. Legen Sie die erste Layer-Geschwindigkeit auf einen Wert zwischen 25 und 50 % auf der Registerkarte Layer der Prozesseinstellungen fest. Eine langsam gedruckte erste Schicht verbessert die Haftung am Druckbett und führt zu erfolgreicheren 3D-Drucken insgesamt.
   5. Stellen Sie die Temperatur des Druckerextruders und des Druckerbetts auf die für das ausgewählte Druckerfilamentmaterial empfohlenen Werte ein. Die angegebenen Temperaturen sind Ausgangspunktempfehlungen.
      1. Für PLA Extruder = 215 °C einstellen; Bett = Keine Heizung.
      2. Für Polyethylenterephthalatglycol-modifiziert (PETG) setzen Extruder = 235 °C und Bett = 80 °C.
      3. Für Acrylnitril Butadien-Styrol (ABS) setzen Extruder = 245 °C und Bett = 110 °C.
   6. Verwenden Sie für C_atom_sp3 Modellteile zwei Gliederungs-/Perimeterschalen mit einer "Outside-In"-Umrissrichtung, um die Druckverzerrung am unteren Rand der Kugel zu minimieren. Diese Optionen sind auf der Registerkarte Layer im Fenster Prozesseinstellungen verfügbar. Für alle anderen Teile wird die "Inside-Out" Umrissrichtung für eine sauberere Oberflächengüte empfohlen.
   7. Wenn Sie einen Doppeltenextruderdruck der ausgerichteten H_atom_dual_bottom- und H_atom_dual_top-Modelle durchführen, aktivieren Sie optional eine Option zum Saugenschutz. Der Slicer erzeugt dann eine dünne Wandgeometrie um das Modell herum, die jedes tropfende Polymer aus der inaktiven, aber immer noch heißen Extruderspitze fängt.
6. Schneiden Sie das Modell in Druckebenen auf, um einen G-Code-Toolpath zu generieren. Klicken Sie im Hauptfenster auf die Schaltfläche Drucken vorbereiten,oder wählen Sie die Option Drucken vorbereiten im Pulldown-Menü Bearbeiten aus.

2. Vorbereitung des Druckers für den Druck von Teilen

1. Beschichten Sie die Oberfläche des Druckerbettes mit blauem Malerband für unbeheizte Betten. Beschichten Sie die Oberfläche des Druckerbettes mit blauem Malerband und einer Unterlage aus Polyimidband für beheizte Betten.
2. Tragen Sie eine dünne Schicht Kleber auf das Klebeband des blauen Malers auf. Kleber-Stick-Polymer wird Druck Haftung auf der Bettoberfläche zu verbessern.
3. Legen Sie ein belüftetes Gehäuse über das Druckerbett oder schließen Sie es. Ein Gehäuse minimiert Luftströme, die das Abstrahlen stören können.
   1. Öffnen Sie für PLA alle/alle Lüftungsöffnungen, da eine schnelle Kühlung bevorzugt wird. Schalten Sie nach Möglichkeit einen Bettlüfter während des Drucks ein.
   2. Für PETG eine begrenzte Anzahl von Lüftungsanschlüssen öffnen, da eine schrittweise Kühlung bevorzugt wird. Ein Bettventilator ist beim Drucken nicht erforderlich.
   3. Für ABS, öffnen Sie eine minimale Anzahl von Lüftungsöffnungen als sehr allmähliche Kühlung bevorzugt wird. Schalten Sie die Bettventilatoren während des Druckvorgangs aus.
4. Sobald der Drucker vorbereitet ist, klicken Sie auf die Schaltfläche "Drucken über USB beginnen", um den G-Code an den angeschlossenen Drucker zu senden und den Druckvorgang zu starten.

3. Veredelung und Montage von Modellstrukturen

1. Entfernen Sie Teile aus dem Druckerbett. Bei beheizten Bettabdrücken, entfernen Sie Teile, nachdem das Bett abgekühlt ist, um zu vermeiden, dass das Modell während der Trennung verzerrt wird.
2. Entfernen Sie Floß- oder Krempenstrukturen von der Basis der Teile, wenn sie verwendet werden. Reiben Sie die Basis des Modellteils mit mittlerem bis feinem Schleifpapier, um alle verbleibenden befestigten Floßfilamente zu entfernen.
3. Sanden Sie die Basis der C_atom_sp3 Modellteile mit mittlerem (120 Körnung) bis sehr feinem (320 Körnung) Schleifpapier, um Oberflächenfehler zu entfernen. Glätten Sie die Oberfläche mit dem sehr feinen Sandpapier. Polieren Sie die Oberfläche mit einem Poliertuch oder Pufferrad bei niedriger Umdrehung pro Minute.
   HINWEIS: Zum Beispiel kann ein Dremel-Werkzeug mit einem Pufferrad mit einem Durchmesser von 0,5 Zoll auf 10.000 Umdrehungen pro Minute zum Polieren verwendet werden, wobei darauf zu achten ist, dass der Druck nicht übermäßig erhitzt wird und Oberflächenfehler verursacht werden.
   1. PLA: Drucke haben in der Regel eine leicht glänzende Oberfläche nach dem Drucken, wie in den Bedienfeldern von Abbildung 2gezeigt. Dieses Finish wird durch grobes Schleifen getrübt, aber die glänzende Oberfläche kann mit Polieren wiederhergestellt werden.
   2. PETG: Drucke haben in der Regel eine leicht glänzende Oberfläche, die geschliffen und mit Polieren wie bei PLA wiederhergestellt werden kann.
   3. ABS: Drucke haben in der Regel eine matte oder nur geringfügig glänzende Oberfläche nach dem Drucken(Abbildung 3A). Eine hochglänzende Oberfläche (Abbildung 3B) kann erreicht werden, indem die Teile in einem Acetonbad für 1-u20122 s getrennt getaucht und in einen belüfteten Bereich gestellt werden, bis das Aceton verdampft ist und die Oberfläche sich innerhalb von typischerweise 12-u201224 h verfestigt hat.

VORSICHT: Aceton ist entzündlich und sollte sparsam in einer Dunstabzugshaube oder einem sehr gut belüfteten Bereich aufgetragen werden. ABS löst sich in Aceton auf, so dass Teile mit Schichttrennungsdefekten aufgrund schlechter Glühanlage nicht mit flüssigem Aceton behandelt werden sollten. Aceton wird Durch solche Defekte in Modelle einsteigen und die Modellfüllung auflösen (Abbildung 3C). Das Polieren mit Acetondampf ist ein langsamerer Prozess, der zu einer ähnlichen Wirkung führt, obwohl angesichts der Entflammbarkeit von Aceton Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden sollten.

Abbildung 2: Dual-Extruder-Drucke können visuell verfeinert werden. (A) Dual Extruder Modell Wasserstoff-Atom-Drucke sind visuell kohäsiver als (B) alle weißen Modell Wasserstoff-Atom-Drucke. (C) Bei Zusammengehörig zu kompletten Cyclohexanringen sind die montierten PLA-Modelle funktional identisch. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: ABS-Modelle können für eine glänzende Oberfläche chemisch verarbeitet werden. (A) ABS-Modelldrucke haben in der Regel ein diffuseres oder matteres Aussehen, aber (B) nach chemischer Behandlung der Teile mit einem kurzen Eintauchen in Aceton erhalten sie eine hochglänzende Oberfläche. (C) Wenn Aceton durch Schichttrennungsfehler in das Innere des Drucks eindringt, löst das Aceton das Modell von innen nach außen auf, wodurch es zusammenbricht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

4. Stecken Sie Dieen von C-C_bond und H_atom Modellteile in Buchsen auf C_atom_sp3 Modellteilen entsprechend der gewünschten Verklebungstopologie. Drucke Modellteile zusammen, bis ein hörbarer Klick zu hören ist. Einmal verbunden, sollte die einzelne Bindung frei um diese Verbindung drehen, ohne auseinander zu fallen.
   HINWEIS: Die Verbindungsanpassung ist eng, sodass dies für Modelle mit einer Skalierung von mehr als 100 % möglicherweise erhebliche Kraft erfordert. Die bereitgestellten Teile sollen nicht nach dem Verbinden getrennt werden, sondern können mit einer sehr signifikanten angewendeten Kraft getrennt werden. Die Drehung um eine angeschlossene Bindung ist ein gewünschtes Merkmal für die mitgelieferten Teile und Modelle. Die Verriegelungsrotation erfordert ein Atommodell (z. B. ein sp2-hybridisierter Kohlenstoff) mit einer festen Struktur in der Anschlussbuchse, die zwischen den Abständen der Laschen am Ende des Bindungsmodells einfügt.
5. Montieren Sie alle gedruckten Teile entsprechend der gewünschten molekularen Struktur. Sättigen Sie alle C_atom_sp3 Modellteile, indem Sie eine offene Buchse mit einem H_atom Modellteil befüllen. Schließen Sie den Ring bei einem Ring wie Cyclohexan mit einem C-C_bond Modellteil zwischen C_atom_sp3 Modellteilen.

Results

Das vorgelegte Protokoll deckt eine Vielzahl von möglichen Optionen für den interaktiven molekularen Modellbau ab. Als grundlegendes und verbindendes Beispiel für eine molekulare Baugruppe mit diesen Modellteilen haben wir uns entschieden, interaktive Cyclohexanstrukturen in einer Vielzahl von Maßstäben zu montieren. Abbildung 2 zeigt die für diese Struktur notwendigen Teile: sechs C-Atome, sechs C-C-Bindungen und zwölf H-Atome. Diese spezifischen Drucke wurden mit beiden Druckern hergestellt, die in der Tabelle der Materialienaufgeführt sind. Der teurere Dual-Extruder-Drucker ermöglicht die Herstellung von Dual-Farbkomponenten; hier die zweifarbigen Wasserstoffatomstrukturen mit der Farbänderung in der Mitte der Bindung (Abbildung 2A). Die einfarbigen Wasserstoffe in Abbildung 2B drucken in etwa 50-u201260% weniger Zeit aufgrund des Fehlens einer Saugenschildstruktur und des Fehlens von Polymerrückzügen beim Umschalten zwischen aktiven Extrudern. Die zusammengesetzten Cyclohexanstrukturen (Abbildung 2C) sind funktional gleichwertig, obwohl die Doppelextruderdrucke tendenziell mäßig raffinierter aussehen.

Die PLA-Modelle in Abbildung 2 haben eine recht schöne Oberfläche, die verfeinerter ist als ABS-Modelle direkt neben dem Drucker (Abbildung 3A). Die chemische Behandlung von ABS-Modellen mit Aceton verleiht eine glatte und hochglänzende Oberfläche, die der Oberfläche fast ein nasses Aussehen verleiht (Abbildung 3B). Eine solche Veredelung kann lästig sein, vor allem, wenn ABS-Modelle nicht gut geglüht werden. Große Modelle, die mit ABS gedruckt werden, sind anfällig für Schichttrennungsfehler. Schichttrennungsfehler treten auf, wenn die vorherige Schicht abkühlt, bevor der Extruder überfahren werden kann, um die nächste Schicht zu legen. Für große ABS-Drucke ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Umgebung rund um das Heizbett des Druckers bei einer gleichmäßigen und warmen Temperatur bleibt, um die Abkühlrate zu verlangsamen. Wenn ein Druck mit einem Schichtdefekt in Aceton getaucht ist, tritt das Aceton in das Modell ein und löst die innere Stützstruktur auf. Dadurch wird das Modell von innen reduziert, wie in Abbildung 3Cdargestellt.

Eine visuell unterschiedliche Darstellung ist der Funktionalität der Modellstrukturen zweitrangig. Die Steckverbinder wurden entwickelt, um eine freie Rotation über einzelne Bindungen zu ermöglichen. Um deren Nutzen in verschiedenen Systemen zu testen, wurden vier verschiedene Sätze von Teilegrößen gedruckt, wobei der Kohlenstoffatomdurchmesser von 17,5 mm, 35 mm, 70 mm und 112 mm ausgeht. Die montierten Cyclohexanstrukturen (Abbildung 4) waren alle in der Lage, relevante Konformatoren auf die gleiche Weise zu biegen, zu verzerren und zu übernehmen. Das kleinste dieser Modelle war am anfälligsten für Druckfehler, so dass diese Größe potenziell zu klein ist und nicht empfohlen wird, ohne die relative Größe der Teile zu optimieren. Einer der Hauptvorteile für kleinere Drucke ist die Druckgeschwindigkeit. Ein Array von sechs der kleinsten Kohlenstoffatome, die in etwa 2 h gedruckt werden, im Vergleich zu den 10 h, die für ein einzelnes Kohlenstoffatom der größten Größe erforderlich sind. Während langsam zu drucken, sind große Modelle potenziell effektiver für die Kommunikation in Vorlesungsumgebungen, wo es schwierig wäre, die Bewegung einer kleinen Struktur aus der Ferne zu sehen.

Abbildung 4: Modelle sind in einer Vielzahl von Maßstäben funktionsfähig. Um zu veranschaulichen, wie die Modelle für verschiedene Zwecke gedruckt werden können, wurden Cyclohexanmodelle in vier verschiedenen Maßstäben montiert und alle behalten die gleiche Funktionalität bei. Die Kohlenstoffatome der größten sind größer als ein Softball (112 mm Durchmesser), während das montierte Cyclohexan der kleinsten in einen Softball passen könnte. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Der dynamische Aspekt ist eines der Schlüsselattribute, die diese Strukturen von anderen druckbaren molekularen Modellen trennen. Da sich die Atome leicht relativ zueinander drehen können, können die Strukturen verzerrt werden, um in die verschiedenen repräsentativen Konformer von Cyclohexan einzurasten. Abbildung 5 zeigt den Stuhl, das Boot und die Übergangszustandsstruktur für die Interkonversion zwischen den jeweiligen Konfigurationsräumen. Dieser Übergangszustandspunkt hat vier beschriftete Kohlenstoffatome in einer fast planaren Geometrie^24,28, die gleiche Übergangszustandsstruktur, die man erreicht, um B3LYP/6-311+G(2d,p) Berechnungen²⁹durchzuführen. Nach dem gleichen Übergangszustand imaginäre Frequenzbewegung, leicht verdrehen 2 nach oben und 3 nach unten wird das Modell in die Boot-Konformer-Landschaft schnappen, während leicht verdrehen 2 nach unten und 3 nach oben wird die Struktur zum Stuhl konformer zurück.

Abbildung 5: Konformer von Cyclohexan sind vollständig zugänglich. Da sich die Atome um ihre Bindungen drehen können, können die Modelle den sterisch verriegelten Stuhl und konformationsfreie Bootsformen annehmen. Der Übergangszustand zwischen diesen Formen umfasst vier fast koplanare Kohlenstoffatome im Ring. Leicht verdrehen 2 nach oben mit 3 nach unten wird das Modell auf das Boot Konformer schieben, während Verdrehen 2 nach unten mit 3 nach oben wird das Modell auf den Stuhl konformer zurück. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Die zustandspunktfreien Energieschätzungen (Zusatztabelle S1) aus B3LYP/6-311+G(2d,p) Berechnungen optimierter Zustandspunkte (Zusatzdateien S6-u2012S9) ergeben eine Lücke zwischen dem Twist-Boot und den Bootskonformern von 0,8 kcal/mol, die bei 298,15 K sehr nahe an der thermischen Energie liegt. Dies deutet darauf hin, dass die Konvertierung zwischen diesen fast frei stichprobenführen sollte. Der Abstand zwischen Stuhlkonformer und Interkonversionsübergangszustand ist mehr als das Zehnfache dieses Wertes, was darauf hindeutet, dass der Stuhl im Vergleich konformationskonform gesperrt werden sollte. Dies wird in Abbildung 6dargestellt, die die geschätzte durchschnittliche konformere Energie zeigt, wenn jede Kohlenstoffatomposition relativ zur Ringebene im Laufe einer Gasphasen-Molekulardynamikberechnung^30,31latitudinal auf eine Kugel projiziert wird. Im Stuhl-Konformer auf der linken Seite ist die Energie niedrig, wenn die Kohlenstoffatome über oder unter der Ringebene verschoben werden, aber es steigt dramatisch an, wenn sie sich verdrängen, um sich an der Ringebene auszurichten. Im Bootskonformer ist die konformere Energie relativ gering, wenn sich Die Karbons in der Ringebene befinden (Twist-Boot-Zustand), und der stärker verdrängte Bootskonformer ist nicht bei einer drastisch höheren Energie. Diese Konfigurationslandschaften können mit den 3D-gedruckten Cyclohexan-Modellen erkundet werden, wobei der Stuhlkonformer nur lokal vibrieren kann, während der Bootskonformer sanft von einem Paar entgegengesetzter Kohlenstoffatome zum nächsten schwingen kann.

Abbildung 6: Das Modellverhalten stimmt mit Berechnungen überein. Im Stuhl- und Bootskonformerzustände kann die Latitudinalverschiebung von Kohlenstoffatomen um die Ringebene im Laufe einer Molekulardynamikberechnung auf die Oberfläche einer einschließenden Kugel projiziert werden. Während die Stuhlform am energetischstabilsten ist, ist sie verschlossen und kann nur durch einen hohen Energiewendezustand in die umgekehrte Form wechseln. Sowohl die Berechnungen als auch die Flexibilität des gedruckten Modells deuten darauf hin, dass die Boots- und Drehbootkonformer bei 298,15 K durch nahezu 1 k_BT getrennt sind, was eine nahezu freie Latitudinalverschiebung von Kohlenstoffatomen in dieser Form ermöglicht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Ergänzende Tabelle S1: Staatliche punktfreie Energieschätzungen. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.

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Discussion

Das Hauptziel dieser Studie ist es, ein Protokoll zur Erstellung dynamischer molekularer Modelle mit Standard-3D-Druckern zu melden. Diese Drucker sind zunehmend zugänglich, oft sogar kostenlos in Bibliotheken, Schulen und anderen Orten zu verwenden. Die ersten Schritte beinhalten, dass sowohl die zu druckenden Modelle als auch die zu verwendenden Materialien und die Entscheidung aus diesen Optionen einige Anregungen erfordern, was kreative additive Fertigung für Forschung und Unterricht tun kann. Um diese Probleme anzugehen, geben wir einige praktische Materialempfehlungen, vorgeschlagene Modellteile, ein 3D-Druckprotokoll und eine Beispielanwendung, die jeweils eine weitere Diskussion rechtfertigen.

Es gibt viele Möglichkeiten von Thermoplasten für den Einsatz im 3D-Druck. Wir heben drei im vorgestellten Protokoll hervor, da diese drei Materialien derzeit die am weitesten verbreiteten für do-it-yourself 3D-Druck eimten. Die Auswahl kann davon abhängen, welches Material von einem verfügbaren 3D-Drucker unterstützt wird, z. B. drucken viele Open-Access-Einrichtungen aufgrund von Umgebungseinschränkungen nur mit PLA. PLA ist ein biologisch abbaubares und kompostierbares Material mit einem Druckprotokoll mit milden Temperatureinstellungen. Sowohl ABS als auch PETG sind weniger umweltfreundlich und im Allgemeinen nicht recycelbar, obwohl PETG auf hochrecycelbarem Polyethylenterephthalat (PET) basiert und möglicherweise eine breitere Verbreitung wie PET sehen kann. Nachhaltige Druckpraktiken würden das Drucken von wenigen Teilen gleichzeitig beinhalten, um sowohl die Druckqualität als auch den Druckerfolg zu gewährleisten, wobei so wenig ausrangiertes Material (Stützstrukturen, Flöße, Saugenschutz usw.) wie möglich verwendet würden. PLA kann spröde sein, so dass, wenn verfügbar, ABS- und PETG-Thermoplaste zu Drucken führen können, die mechanisch belastbarer sind und eine verbesserte Schichthaftung haben. Diese Eigenschaften könnten für ein interaktives molekulares Modell wünschenswert sein, das regelmäßige Manipulationen in einem Labor oder Klassenzimmer sieht.

Die hier vorgestellten Modelle berücksichtigen diese Überlegungen, obwohl sie zunächst so konzipiert sind, dass sie zusammenarbeiten, um einen dynamischen molekularen Modellbau zu ermöglichen. Auf der Standardskala werden sie erfolgreich zu interaktiven molekularen Strukturen zusammengefügt. Sie können leicht auf große Modelle skaliert werden, obwohl die Montage mehr Kraft erfordert, da die Verbindungsstifte bei größerer Größe weniger leicht zu verzerren sind. Beim Schrumpfen der Komponenten wird eine 50%ige Verkleinerung der Größe immer noch mit geringfügigen Modifikationen funktionieren, wie z. B. dem Schrumpfen des Kohlenstoffatommodells auf 48-u201249%, während die Bindung und das Wasserstoffatom bei 50 % gehalten werden, um engere Verbindungen zwischen Teilen in PLA-Drucken zu ermöglichen. Modelle, die so klein sind, sind empfindlicher und erfordern oft Floßstrukturen, um erfolgreich zu drucken, aber sie sind immer noch als dynamische molekulare Modelle funktionsfähig.

Das thermoplastische Material und die gewählten Druckmodelle sind die beiden wichtigsten Aspekte eines 3D-Druckprotokolls. Der gewählte Thermoplast bestimmt die Temperatur, Haftung, Glühen und Veredelung Überlegungen und Optionen. Wenn der verfügbare 3D-Drucker nicht über ein beheiztes Bett verfügt, ist PLA die einzige der vorgestellten thermoplastischen Optionen, die Teile reproduzierbar drucken. Während die mitgelieferten Teile für den reproduzierbaren Druck mit verschiedenen Thermoplasten ausgelegt sind und dynamische Manipulationen aufrecht erhalten, werden Drucke mit Gebrauch und Riss, oft zwischen Druckschichten, abgebaut, wenn sie unter zunehmender Belastung platziert werden. In solchen Situationen ist es einfach und relativ kostengünstig, ein Ersatzteil zu drucken.

Die dynamische Funktionalität molekularer Baugruppen, die aus den bereitgestellten Modellen gedruckt werden, unterscheidet diese Arbeit von anderen verfügbaren und 3D-druckbaren Modellen, die in erster Linie Konnektivitäts- und Bindungstypen hervorheben. Die dynamischen Aspekte werden im kleinen Teil mit der Beispielcyclohexanstruktur dargestellt. Die Konfigurationslandschaft von Cyclohexan ist mit diesen Modellen direkt von Hand zugänglich, und die Topologien dieser Landschaften sind im Allgemeinen mit Rechenuntersuchungen einverstanden. Ein Großteil davon kommt von der Achtung der Besonderheiten der molekularen Geometrie und Freiheitsgrade in diesen physikalischen Modellierungskomponenten. In Linus Paulings Kommentar über ihren Erfolg bei der Entdeckung der Struktur der Helix¹behaupteten sie, dass ihre Zeitgenossen Schwierigkeiten hatten, aus idealistischen integralen Annahmen zu kommen und "... nur eine grobe Annäherung an die Anforderungen an interatomare Abstände, Bindungswinkel und Planarität der konjugierten Amidgruppe, wie unsere Untersuchungen zu einfacheren Substanzen vorsehen." Mehr quantitative Einblicke in diese Richtung erfordern spezifischere Details als die Überlegungen, die beim Erstellen dieser Modellteile getroffen wurden, aber diese Modelle und Empfehlungen bilden eine Grundlage für die allgemeine interaktive physikalische Untersuchung molekularer Systeme. Diese Modelle sind eine Erweiterung von 3D-druckbaren Modellbausätzen, die wir vor diesem Bericht seit mehreren Jahren für Forschungs- und Öffentlichkeitsarbeit produzieren, und zusätzliche Komponenten, die mit diesen beiden Modellen und dem beschriebenen Protokoll kompatibel sind, stehen den Autoren zur Verfügung, um vielfältigere Bonding-Arrangements und dynamischere Maßnahmen zu ermöglichen.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
ABS: Schwarze 1,75 mm Filamentspule, 1 kg	MakerBot	MP01969	Bezogen vom Wiederverkäufer (B& H und/oder Amazon).
ABS: Dunkelgraue 1,75 mm Filamentspule, 1 kg	Amazon	B07T6W8TRF	Bezogen vom Wiederverkäufer (B& H und/oder Amazon).
ABS: Weiße 1,75 mm Filamentspule, 1 kg	Hatchbox	B00J0H6NNM	Bezogen vom Wiederverkäufer (B& H und/oder Amazon).
Crown Aceton, 1 Gallone	Crown	206539	Bezogen aus einem Eisenwarengeschäft (Lowes).
MakerGear M2	MakerGear		Dieser Drucker ist teurer als günstige FDM-Drucker, die bei Amazon oder anderen Websites erhältlich sind, aber er wurde für eine konstantere Leistung entwickelt.
MakerGear M2 Dual	MakerGear		Dieses Druckermodell ist nicht mehr erhältlich. Er wurde durch ein neues Modell mit unabhängigen Doppelextrudern ersetzt.
Multi-Surface 1,88-Zoll-Malerband	3M	116480	Bezogen aus einem Eisenwarengeschäft (Lowes).
PETG: Pink 1,75 mm Filamentspule, 1 kg	Amazon		Bezogen vom Wiederverkäufer (B& H und/oder Amazon). Bei diesem Unternehmen nicht mehr erhältlich.
PETG: Weiße 1,75 mm Filamentspule, 1 kg	Amazon		Bezogen vom Wiederverkäufer (B& H und/oder Amazon). Bei diesem Unternehmen nicht mehr erhältlich.
PLA: Schwarze 1,75 mm Filamentspule, 2 lb	MakerBot	MP05775	Bezogen vom Wiederverkäufer (B& H und/oder Amazon).
PLA: Cool Gray 1,75 mm Filamentspule, 2 lb	MakerBot	MP05784	Bezogen vom Wiederverkäufer (B& H und/oder Amazon).
PLA: Weiße 1,75 mm Filamentspule, 2 lb	MakerBot	MP05780	Bezogen vom Wiederverkäufer (B& H und/oder Amazon).
POLYIMIDBAND (2" ROLLE)	MakerGear		Im Lieferumfang des Druckers von MakerGear enthalten, ist jedoch aus einer Vielzahl von Quellen erhältlich.
Simplify3D	Simplify3D		Slicer Softward wird in Drucken verwendet. Diese Software kann von dem Unternehmen oder von MakerGear und anderen 3D-Druckerherstellern erworben werden.