Assemblaggio del modello molecolare interattivo con stampa 3D

Summary

La modellazione fisica dei sistemi microscopici aiuta a ottenere informazioni difficili da ottenere con altri mezzi. Per facilitare la costruzione di modelli molecolari fisici, dimostriamo come la stampa 3D possa essere utilizzata per assemblare modelli macroscopici funzionali che catturano le qualità dei sistemi molecolari in modo tattile.

Abstract

Con la crescita dell'accessibilità della stampa 3D, c'è stata una crescente applicazione e interesse nei processi di produzione additiva nei laboratori chimici e nell'educazione chimica. Sulla base della lunga e di successo storia della modellazione fisica dei sistemi molecolari, presentiamo modelli selezionati insieme a un protocollo per facilitare la stampa 3D di strutture molecolari che sono in grado di fare di più che rappresentare forma e connettività. I modelli assemblati come descritto incorporano aspetti dinamici e gradi di libertà in strutture sature di idrocarburi. Come esempio rappresentativo, cyclohexane è stato assemblato da parti stampate e rifinite utilizzando diverse termoplastiche, e i modelli risultanti mantengono la loro funzionalità su una varietà di scale. Le strutture risultanti mostrano l'accessibilità dello spazio di configurazione coerente con i calcoli e la letteratura, e le versioni di queste strutture possono essere utilizzate come aiuti per illustrare concetti difficili da trasmettere in altri modi. Questo esercizio ci permette di valutare protocolli di stampa di successo, formulare raccomandazioni pratiche per l'assemblaggio e delineare i principi di progettazione per la modellazione fisica dei sistemi molecolari. Le strutture, le procedure e i risultati forniti forniscono una base per la produzione individuale e l'esplorazione della struttura molecolare e delle dinamiche con la stampa 3D.

Introduction

La costruzione della struttura molecolare è stata a lungo un aspetto critico per la scoperta e la convalida della nostra comprensione della forma e delle interazioni tra le molecole. La costruzione del modello fisico è stato αun aspetto motivante nella determinazione della struttura z-elica nelle proteine di Pauling et al.¹, le strutture idratate principali di clatrato di acqua^2,3, e la struttura a doppia elica del DNA da Watson e Crick⁴. Nel resoconto pubblicato da James Watson della struttura del DNA, descrive molte delle lotte affrontate in tale costruzione di modelli, come avvolgere un filo di rame intorno agli atomi di carbonio modello per fare atomi di fosforo, sospensioni precariamente delicate degli atomi, e fare ritagli di cartone di basi durante l'attesa su ritagli di latta dal negozio di macchine^{5 .} Tali lotte nella costruzione di modelli sono state in gran parte rismerate con la modellazione computazionale che aumenta o soppianta interamente gli approcci fisici, anche se i modelli fisici rimangono un aspetto essenziale nell'educazione chimica e nella sperimentazione^6,7,8,9.

Dal 2010 circa, la stampa 3D ha visto una crescita significativa nell'adozione come strumento per la progettazione creativa e la produzione. Questa crescita è stata guidata dalla concorrenza e dalla disponibilità di una varietà di stampanti Fused-Deposition Modeling (FDM) da una serie di nuove aziende focalizzate sull'ampia commercializzazione della tecnologia. Con la crescente accessibilità, c'è stata una crescita simultanea nell'applicazione di queste tecnologie nell'educazione chimica e nelle impostazioni di laboratorio sperimentale^10,11 ,^{11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21}. Durante questo periodo, sia i repository della comunità commerciale che aperti per i modelli 3D, come il NIH 3D Print Exchange^22,hanno reso i sistemi modello per la stampa 3D più accessibili, anche se molti di questi modelli tendono ad essere centrati su specifiche molecole bersaglio e forniscono semplici strutture statiche con un'enfasi sulla connettività e sul tipo di legame. Gruppi atomici e molecolari più generali possono consentire costruzioni più creative^12,23, e c'è la necessità di modelli che possono consentire la creazione di strutture generali con feedback tattili, dinamici e di forza sensibili per le strutture molecolari.

Qui presentiamo componenti della struttura molecolare che possono essere facilmente stampati e assemblati per formare modelli molecolari dinamici di idrocarburi saturi. Le strutture dei componenti fanno parte di un kit più ampio che abbiamo sviluppato per attività di ampliamento e sensibilizzazione per il nostro laboratorio e università. Le parti fornite sono state progettate per essere stampabili con una varietà di tipi di filamento polimerico sulle stampanti 3D FDM di materie prime. Presentiamo i risultati del modello utilizzando diversi polimeri e tecniche di finitura da stampanti FDM sia a singolo che a doppio estrusore. Questi componenti sono scalabili e consentono la produzione di modelli adatti sia per l'indagine personale che per la dimostrazione in ambienti di lezione più ampi.

L'obiettivo principale di questa relazione è quello di aiutare altri ricercatori ed educatori nella traduzione dei dettagli e delle conoscenze della struttura chimica in modi più fisici con la stampa 3D. A tal fine, evidenziamo un'applicazione di esempio assemblando e manipolando cyclohexane su scale diverse. Le conformazioni del sistema ad anello a sei membri sono un argomento fondamentale nei corsi introduttivi di Chimica Organica^24,e questi conformatori sono un fattore nella reattività delle strutture ad anello e zucchero^25,26,27. I modelli stampati adottano in modo flessibile i conformatori dell'anello chiave²⁴, e la forza necessaria per i percorsi di interconversione ad anello può essere esplorata direttamente e valutata qualitativamente a mano.

Protocol

1. Preparazione dei file di modello per la stampa 3D

NOTA: il gran numero di stampanti 3D e software di stampa gratuito e commerciale estrae indicazioni esatte oltre l'ambito di questo articolo. Il processo di protocollo generale e le raccomandazioni sono forniti qui, con considerazioni specifiche fornite per i modelli rappresentativi mostrati con il software elencato e le stampanti 3D (vedere Tabella dei materiali). Indicazioni specifiche del produttore specifiche per la stampante di un lettore e la combinazione di software di sezionamento hanno la precedenza sulle raccomandazioni fornite.

1. Scaricare i file stereolitografia supplementari (.stl) associati a questo articolo (File supplementari S1 - u2012S5). Caricare questi file nel computer con il programma di filtro dei dati.
2. Importare uno dei file C_atom_sp3, H_atom o C-C_bond nel programma di filtro dei dati. Utilizzare il formato millimetri per le unità se è disponibile un'opzione. Nel software, fate clic sul pulsante Importa del pannello Modelli della finestra principale o selezionate il comando Importa modelli nel menu a discesa File. Selezionare il file di modello appropriato dal browser dei file risultante.
   1. Importare file H_atom_dual_bottom e H_atom_dual_top per le stampe a doppio estrusore dell'atomo di idrogeno. Allineare, raggruppare e assegnare i modelli di componente all'estrusore pertinente in base al colore del filamento di destinazione.
3. Ridimensionare il modello importato in base alle dimensioni desiderate. A tale scopo, fare doppio clic sul modello grafico nella visualizzazione principale o sul modello elencato nel pannello Modelli della finestra principale. Questa azione apre un pannello di modifica del modello che consente la traslazione, la rotazione e il ridimensionamento del modello di destinazione. I modelli rappresentativi sono presentati per la scala 50%, 100%, 200% e 320% per tutte le parti interconnesse.
   1. Attivare le strutture di supporto per i modelli di C_atom_sp3 con scale superiori al 100%. Le strutture di supporto possono essere utilizzate, ma in genere non sono necessarie per tutti gli altri modelli.
   2. Attivare una struttura di zattera o orzo per modelli in scala 100% e più piccoli. Tali strutture non dovrebbero essere necessarie per la maggior parte dei modelli più grandi in quanto la base piatta avrà un contatto sufficiente con la superficie del letto per rimanere fissa in posizione. Le zattere aiutano a fornire un primo strato ben aderito per una stampa 3D, quindi se ci sono difficoltà nella stabilità del primo strato stampato su qualsiasi scala, l'attivazione di una struttura a zattera potrebbe portare a stampe più efficaci a scapito del materiale necessario per la struttura della zattera.
4. Duplicare i modelli per generare una serie di modelli come desiderato selezionando l'opzione Duplica modelli dal menu Modifica e immettendo il numero di parti del modello nella finestra di dialogo risultante. Disporre i modelli vicino al centro della piattaforma di compilazione facendo clic sul pulsante Centra e disponi nel pannello Modelli della finestra principale oppure selezionando l'opzione Centra e disponi nel menu a discesa Modifica.
   NOTA: Vedere la figura 1 per un esempio di disposizione di sei modelli C_atom_sp3 stampati con acido polilattico (PLA). È più sicuro stampare una singola parte alla volta, anche se la stampa di più piccole parti dello stesso colore è in genere più efficiente in termini di tempo. La qualità di stampa delle parti negli array è spesso inferiore a causa della necessità di più punti di retrazione del filamento tra i modelli. Le stampe di serie dei modelli hanno anche una maggiore probabilità di guasto in quanto una parte caduta durante la stampa può interferire con la stampa di altre parti.

Figura 1: Gli atomi o i legami di colore simile possono essere stampati come array. Per aumentare l'efficienza di stampa a un leggero costo in termini di qualità, parti di colore simile vengono prontamente stampate negli array. Qui, sei atomi di carbonio PLA sono stampati insieme, ciascuno posizionato su una piccola struttura di zattera con una struttura a tesa di contorno. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

5. Impostare le impostazioni di elaborazione del modello appropriate per le stampe di destinazione utilizzando Aggiungi o Modifica impostazioni processo dal pannello Processi della finestra principale.
   NOTA: il software utilizzato dispone di impostazioni di elaborazione predefinite selezionabili per PLA, ABS e altre termoplastiche disponibili quando si aggiunge un nuovo processo o si modifica un processo facendo rispettivamente clic su Aggiungi o Modifica impostazioni processo dal pannello Processi della finestra principale. Seguono regolazioni specifiche e motivazioni per le parti del modello molecolare fornite.
   1. Impostare il valore di riempimento del modello tra il 15% e il 25%. Questo userà meno filamento e si tradurrà in parti più leggere, ma le strutture assemblate finali saranno abbastanza forti da sopravvivere alla manipolazione fisica.
   2. Utilizzare le impostazioni di riempimento al 100% per le aree di connettore di C-C_bond e H_atom parti del modello, se possibile o se necessario, per aumentare la durata delle schede del connettore.
   3. Scegliere uno spessore del livello di stampa pari o inferiore a 0,2 mm per mantenere i dettagli di stampa.
   4. Impostare First Layer Speed su un valore compreso tra 25 e 50% nella scheda Layer delle impostazioni di processo. Un primo strato stampato lentamente migliorerà l'adesione al letto di stampa e si tradurrà in stampe 3D complessive di maggior successo.
   5. Impostare l'estrusore della stampante e le temperature del letto della stampante sui valori consigliati per il materiale di filamento della stampante scelto. Le temperature fornite sono raccomandazioni per il punto di partenza.
      1. Per PLA, impostare Estrusione : 215 gradi centigradi; Letto - Nessun riscaldamento.
      2. Per il terephthalate di polietilene ilglicol-modificato (PETG) set Estrusore 235 gradi c, e letto di 80 gradi centigradi.
      3. Per l'acrilonitrile butadiene stirne (ABS) set Estrusore 245 s e letto 110 gradi centigradi.
   6. Per C_atom_sp3 parti del modello, utilizzare due Shell Contorno/Perimetro con una Direzione contorno "Esterno-In" per ridurre al minimo la distorsione di stampa nella parte inferiore della sfera. Queste opzioni sono disponibili nella scheda Layer della finestra Impostazioni processo. Per tutte le altre parti, la direzione di contorno "Inside-Out" è consigliata per una finitura superficiale più pulita.
   7. Se si esegue una stampa a doppio estrusore della H_atom_dual_bottom allineata e H_atom_dual_top i modelli, attivare facoltativamente un'opzione di scudo di trasudano. Il filtro dei dati genererà quindi una geometria sottile del muro intorno al modello che catturerà qualsiasi polimero gocciolante dalla punta estrusore inattiva, ma ancora calda.
6. Sezionare il modello in livelli di stampa per generare un percorso utensile G-Code. Fare clic sul pulsante Prepara per stampare! nella finestra principale oppure selezionare l'opzione Prepara per stampare nel menu a discesa Modifica.

2. Preparazione della stampante per la stampa di parti

1. Rivestire la superficie del letto della stampante con nastro blu del pittore per letti non riscaldati. Rivestire la superficie del letto della stampante con nastro blu del pittore e un sottostrato di nastro in poliimide per letti riscaldati.
2. Applicare un sottile strato di bastone di colla sul nastro del pittore blu. Il polimero a bastone di colla migliorerà l'adesione di stampa alla superficie del letto.
3. Posizionare o chiudere un contenitore ventilato sul letto della stampante. Un contenitore riduce al minimo le correnti d'aria che possono disturbare l'analing di stampa.
   1. Per PLA, aprire tutte le porte di ventilazione come raffreddamento rapido è preferito. Se possibile, accendere una ventola a letto durante la stampa.
   2. Per PETG, aprire un numero limitato di porte di ventilazione man mano che è preferibile un raffreddamento graduale. Una ventola del letto non è necessaria durante la stampa.
   3. Per ABS, aprire un numero minimo di porte di ventilazione come raffreddamento molto graduale è preferito. Spegnere le ventole del letto durante la stampa.
4. Una volta preparata la stampante, fare clic sul pulsante "Inizia a stampare su USB" per inviare il G-Code alla stampante collegata e iniziare il processo di stampa.

3. Finitura e assemblaggio di strutture del modello

1. Rimuovere le parti dal letto della stampante. Nel caso di stampe riscaldate del letto, rimuovere le parti dopo che il letto si è raffreddato per evitare di distorsioni del modello durante la separazione.
2. Rimuovere le strutture di zattera o orlo dalla base delle parti, se utilizzate. Strofinare la base della parte del modello con carta vetrata a grana media e fine per rimuovere eventuali filamenti di zattera rimanenti attaccati.
3. Sabbia la base della C_atom_sp3 parti del modello con carta vetrata media (120 grana) a molto fine (320 grana) per rimuovere i difetti superficiali. Ammorbidire la superficie con la carta vetrata molto fine. Polacco la superficie alla finitura desiderata con un panno di lucidatura o ruota tampone a bassa rivoluzione al minuto impostazione.
   NOTA: Ad esempio, uno strumento Dremel con una ruota tampone di 0,5 pollici di diametro impostato su 10.000 rpm può essere utilizzato per la lucidatura, facendo attenzione a non riscaldare eccessivamente la stampa e causare difetti superficiali.
   1. PLA: le stampe hanno in genere una finitura leggermente lucida dopo la stampa, come mostrato nei pannelli della figura 2. Questa finitura è rovinata da levigatura grossolana, ma la finitura lucida può essere ripristinata con lucidatura.
   2. PETG: Le stampe hanno in genere una finitura leggermente lucida che può essere levigata e ripristinata con la lucidatura come con PLA.
   3. ABS: le stampe hanno in genere una finitura opaca o solo marginalmente lucida dopo la stampa(Figura 3A). Una finitura alta (Figura 3B) può essere ottenuta immergendo separatamente le parti in un bagno di acetone per 1 s u20122 s e posizionandole in un'area ventilata fino a quando l'acetone è evaporato e la superficie si è solidita all'interno tipicamente 12-u201224 h.

AVVISO: L'acetone è infiammabile e deve essere applicato con parsimonia in una cappa di fumi o in una zona molto ben ventilata. L'ABS si scioglie in acetone, quindi le parti con difetti di separazione degli strati dovute a una scarsa annealing non devono essere trattate con acetone liquido. Acetone entrerà modelli attraverso tali difetti e sciogliere il riempimento del modello (Figura 3C). La lucidatura con vapore acetone è un processo più lento che si tradurrà in un effetto simile, anche se le precauzioni di sicurezza dovrebbero essere prese data l'infiammabilità dell'acetone.

Figura 2: Le stampe a doppio estrusore possono essere più raffinate visivamente. (A) Le stampe atomo di idrogeno modello doppio estrusore sono visivamente più coese di (B) tutte le stampe di atomi di idrogeno modello bianco. (C) Quando collegati tra loro per formare anelli ciclo-exane completi, i modelli PLA assemblati sono funzionalmente identici. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: I modelli ABS possono essere lavorati chimicamente per una finitura lucida. (A) Le stampe modello ABS tendono ad avere un aspetto più diffuso o opaco, ma (B) dopo aver trattato chimicamente le parti con un breve tuffo in acetone ottengono una finitura lucida elevata. (C) Se l'acetone entra nell'interno della stampa attraverso difetti di separazione dello strato, l'acetone dissolverà il modello dall'interno verso l'esterno, causandone il collasso. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

4. Inserire le estremità del connettore di C-C_bond e H_atom le parti del modello nei socket sulle C_atom_sp3 parti del modello in base alla topologia di incollaggio desiderata. Spremere le parti del modello fino a quando non si sente un clic udibile. Una volta collegato, il singolo legame dovrebbe ruotare liberamente su questa connessione senza cadere a pezzi.
   NOTA: la connessione è stretta, quindi questo può richiedere una forza significativa per i modelli con ridimensionamento superiore al 100%. Le parti fornite non sono destinate a essere separate dopo averle collegate tra loro, ma possono essere separate con una forza applicata molto significativa. La rotazione di un legame collegato è una funzione desiderata per le parti e i modelli forniti. La rotazione di blocco richiede un modello di atomo (un carbonio ibrido sp2, ad esempio) con una struttura fissa nella presa di connessione che si inserisce tra le distanze delle schede all'estremità del modello di legame.
5. Assemblare tutte le parti stampate in base alla struttura molecolare desiderata. Saturare tutte le parti del modello C_atom_sp3 riempiendo qualsiasi presa aperta con una parte del modello H_atom. Per un anello come cyclohexane, chiudere l'anello con una parte modello C-C_bond tra C_atom_sp3 parti del modello.

Results

Il protocollo fornito copre una varietà di potenziali opzioni per la costruzione di modelli molecolari interattivi. Come esempio di base e unificante per un assieme molecolare che utilizza queste parti del modello, abbiamo scelto di assemblare strutture di ciclosofani interattivi su una varietà di scale. La figura 2 mostra le parti necessarie per questa struttura: sei atomi C, sei legami C-C e dodici atomi H. Queste stampe specifiche sono state realizzate utilizzando entrambe le stampanti elencate nella tabella dei materiali. La più costosa stampante a doppio estrusore consente la produzione di componenti a doppio colore; qui le strutture atomi di idrogeno bicolore con il cambiamento di colore nel punto medio del legame (Figura 2A). Gli idromidi monocolori nella Figura 2B stampano in circa il 50-u201260% in meno di tempo a causa della mancanza di una struttura di scudo di traforazione e la mancanza di ritrazioni polimeriche nel passaggio tra estrusori attivi. Le strutture assemblate cyclohexane (Figura 2C) sono funzionalmente equivalenti, anche se le stampe a doppio estrusore tendono a sembrare moderatamente più raffinate.

I modelli PLA in Figura 2 hanno finitura ragionevolmente bella che è più raffinato di modelli ABS direttamente dalla stampante (Figura 3A). Il trattamento chimico dei modelli ABS con acetone dà una finitura lucida liscia e alta che dà quasi alla superficie un aspetto bagnato (Figura 3B). Tale finitura può essere fastidioso, in particolare se i modelli ABS non sono annealed bene. I modelli di grandi dimensioni stampati con ABS sono soggetti a difetti di separazione dei livelli. I difetti di separazione dei livelli si verificano quando lo strato precedente si raffredda prima che l'estrusore possa attraversare per posare lo strato successivo. È di fondamentale importanza per le stampe ABS di grandi dimensioni che l'ambiente intorno al letto riscaldante della stampante rimanga ad una temperatura uniforme e calda per rallentare la velocità di raffreddamento. Se una stampa con un difetto di strato è sommersa in acetone, l'acetone entrerà nel modello e dissolverà la struttura di supporto interno. Questo comprimerà il modello dall'interno come mostrato nella Figura 3C.

Un aspetto visivamente distinto è secondario alla funzionalità delle strutture del modello. I connettori sono stati progettati per consentire la rotazione libera su singoli legami. Per testare la loro utilità in diversi sistemi, sono stati stampati quattro diversi set di parti, con il diametro dell'atomo di carbonio che andava da 17,5 mm, 35 mm, 70 mm e 112 mm. Le strutture assemblate cyclohexane(Figura 4) erano tutte in grado di flettere, distorcere e adottare conformatori pertinenti nello stesso modo. Il più piccolo di questi modelli era il più incline a stampare difetti, rendendo questa dimensione potenzialmente troppo piccola e non raccomandata senza modificare le dimensioni relative delle parti. Uno dei principali vantaggi per le stampe più piccole è la velocità di stampa. Una matrice di sei degli atomi di carbonio più piccoli stampati in circa 2 h, rispetto ai 10 h necessari per un singolo atomo di carbonio delle dimensioni più grandi. Anche se lenti per la stampa, i modelli di grandi dimensioni sono potenzialmente più efficaci per la comunicazione in ambienti di lezione in cui sarebbe difficile vedere il movimento di una piccola struttura da lontano.

Figura 4: I modelli funzionano su una varietà di scale. Per illustrare come i modelli possono essere stampati per scopi diversi, i modelli cyclohexane sono stati assemblati su quattro scale diverse e tutti mantengono la stessa funzionalità. Gli atomi di carbonio del più grande sono più grandi di un softball (112 mm di diametro) mentre il cicloohexane assemblato del più piccolo potrebbe adattarsi all'interno di una softball. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

L'aspetto dinamico è uno degli attributi chiave che separano queste strutture da altri modelli molecolari stampabili. Poiché gli atomi possono ruotare facilmente l'uno rispetto all'altro, le strutture possono essere distorte per scattare nei diversi conformatori rappresentativi del cicloe. Figura 5 Mostra la sedia, barca, e la struttura dello stato di transizione per l'interconversione tra i rispettivi spazi di configurazione. Questo punto di stato di transizione ha quattro atomi di carbonio etichettati in una geometria quasi planare^24,28, la stessa struttura dello stato di transizione che si ottiene facendo B3LYP/6-311-G(2d,p) calcoli²⁹. Seguendo lo stesso stato di transizione movimento di frequenza immaginaria, leggermente torsione 2 su e 3 verso il basso sarà scattare il modello nel paesaggio conformatore barca, mentre leggermente torsione 2 verso il basso e 3 in su tornerà la struttura al conformer sedia.

Figura 5: I formatori del cicloee sono completamente accessibili. Poiché gli atomi possono ruotare attorno ai loro legami, i modelli possono adottare la sedia sterically bloccata e forme di barche più conformazionalmente libere. Lo stato di transizione tra queste forme coinvolge quattro atomi di carbonio quasi coplanari sul ring. Leggermente torcendo 2 con 3 in basso farà scivolare il modello al conformatore della barca, mentre torcendo 2 verso il basso con 3 in su restituirà il modello al conformatore della sedia. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Le stime di energia libera da punti di stato (supplementari Tabella S1) da B3LYP/6-311-G(2d,p) calcoli di punti di stato ottimizzati (File supplementari S6 -u2012S9) danno un divario tra il twist-boat e i conformatori di barca di 0,8 kcal/mol, che è molto vicino all'energia termica a 298,15 K. Ciò suggerisce che la conversione tra questi dovrebbe campionare quasi liberamente. Il divario tra il conformatore della sedia e lo stato di transizione di interconversione è più di dieci volte questo valore, indicando che la sedia deve essere bloccata in modo conformazionale in confronto. Questo è illustrato nella Figura 6, che mostra l'energia media di conformer stimata quando ogni posizione dell'atomo di carbonio relativo al piano ad anello è latitudinalmente proiettato su una sfera nel corso di una fase gassosa calcolo della dinamica molecolare^30,31. Nel conformatore della sedia a sinistra, l'energia è bassa quando gli atomi di carbonio vengono spostati sopra o sotto il piano ad anello, ma aumenta drasticamente se si posizionano per allinearsi con il piano ad anello. Nel conformatore della barca, l'energia del conformatore è relativamente bassa quando i carboni sono nell'aereo ad anello (stato della barca di torsione), e il più altamente spostato conformer barca non è ad un'energia drasticamente più alta. Questi paesaggi di configurazione possono essere esplorati con i modelli di ciclodoexane stampati in 3D, con il conformatore della sedia solo in grado di vibrare localmente mentre il conformatore della barca può facilmente ondulare da una coppia di atomi di carbonio opposti a quello successivo.

Figura 6: Il comportamento del modello corrisponde ai calcoli. Negli stati della sedia e della barca, lo spostamento latitudinale degli atomi di carbonio sul piano ad anello nel corso di un calcolo della dinamica molecolare può essere proiettato sulla superficie di una sfera di inclusione. Mentre la forma della sedia è più energicamente stabile, è bloccata e può solo interconvertirsi alla forma invertita passando attraverso uno stato di transizione ad alta energia. Sia i calcoli che la flessibilità del modello stampato indicano che la barca e i conformatori twist-boat sono separati da quasi 1 k_BT a 298.15 K, consentendo uno spostamento latitudinale quasi libero degli atomi di carbonio in questa forma. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Tabella supplementare S1: Stime dell'energia libera da punti di Stato. Fare clic qui per scaricare questa tabella.

File supplementare 1. Fare clic qui per scaricare questo file.

File supplementare 2. Fare clic qui per scaricare questo file.

File supplementare 3. Fare clic qui per scaricare questo file.

File supplementare 4. Fare clic qui per scaricare questo file.

File supplementare 5. Fare clic qui per scaricare questo file.

File supplementare 6. Fare clic qui per scaricare questo file.

File supplementare 7. Fare clic qui per scaricare questo file.

File supplementare 8. Fare clic qui per scaricare questo file.

File supplementare 9. Fare clic qui per scaricare questo file.

Discussion

L'obiettivo principale di questo studio è quello di segnalare un protocollo per la creazione di modelli molecolari dinamici con stampanti 3D a commodity. Queste stampanti sono sempre più accessibili, spesso anche libere di essere utilizzate in biblioteche, scuole e altri luoghi. Iniziare comporta la scelta sia dei modelli da stampare che dei materiali da utilizzare e decidere da queste opzioni può richiedere qualche ispirazione per quanto riguarda ciò che la produzione additiva creativa può fare per la ricerca e l'istruzione. Per affrontare questi problemi, forniamo alcune raccomandazioni pratiche di materiale, parti del modello suggerite, un protocollo di stampa 3D e un'applicazione di esempio, ognuna delle quali richiede ulteriori discussioni.

Ci sono molte scelte di termoplastica per l'uso nella stampa 3D. Ne evidenziamo tre nel protocollo presentato in quanto questi tre materiali sono attualmente i più ampiamente disponibili per la stampa 3D fai-da-te. La scelta può dipendere dal materiale supportato da una stampante 3D disponibile, ad esempio molte strutture ad accesso aperto stamperanno solo con PLA a causa dei vincoli ambientali. PLA è un materiale biodegradabile e compostabile che ha un protocollo di stampa con impostazioni di temperatura mite. Sia abS che PETG sono meno ecologici e non generalmente riciclabili, anche se PETG si basa su terephthalate in polietilene altamente riciclabile (PET) e potrebbe infine vedere un ritrattamento più ampio della diffusione come il PET. Pratiche di stampa sostenibili comporterebbero la stampa di poche parti alla volta per garantire sia la qualità di stampa che il successo di stampa, pur utilizzando il minor numero possibile di materiali scartati (strutture di supporto, zattere, scudi trasudanti, ecc.). PLA può essere fragile, quindi se disponibile, ABS e PETG termoplastiche possono provocare stampe che sono più resilienti meccanicamente e hanno migliorato l'adesione dello strato, rispettivamente. Queste proprietà potrebbero essere desiderabili per un modello molecolare interattivo che vedrà una manipolazione regolare in un ambiente di laboratorio o in classe.

I modelli qui presentati tengono conto di queste considerazioni, anche se sono in primo luogo progettati per lavorare insieme per consentire la costruzione dinamica del modello molecolare. Sulla scala predefinita, si riuniranno con successo in strutture molecolari interattive. Possono essere facilmente scalati fino a modelli grandi, anche se l'assieme richiederà più forza in quanto le punte di connessione sono meno facili da distorcere a dimensioni maggiori. Riducendo i componenti, una riduzione del 50% delle dimensioni continuerà a funzionare con piccole modifiche, come la riduzione del modello di atomo di carbonio al 48,u201249%, mantenendo l'atomo di legame e idrogeno al 50% per consentire connessioni più strette tra le parti nelle stampe PLA. I modelli così piccoli sono più delicati e spesso richiedono strutture di zattera per stampare con successo, ma sono ancora funzionali come modelli molecolari dinamici.

Il materiale termoplastico e i modelli scelti per la stampa sono i due aspetti più critici di un protocollo di stampa 3D. La termoplastica scelta determinerà la temperatura, l'adesione, l'analing e le considerazioni e le opzioni di finitura. Se la stampante 3D disponibile non dispone di un letto riscaldato, PLA è l'unica delle scelte termoplastiche presentate che stamperà le parti riproducibilmente. Mentre le parti fornite sono progettate per stampare in modo riproducibile con diverse termoplastiche e resistere alla manipolazione dinamica, le stampe si degradano con l'uso e la crepa, spesso tra gli strati di stampa, quando poste sotto stress crescente. In tali situazioni, è facile e relativamente conveniente stampare un pezzo di ricambio.

La funzionalità dinamica degli assiemi molecolari stampati dai modelli forniti differenzia questo lavoro da altri modelli stampabili disponibili e 3D che evidenziano principalmente la connettività e i tipi di incollaggio. Gli aspetti dinamici sono presentati in piccola parte con l'esempio struttura cyclohexane. Il panorama di configurazione del cicloista è direttamente accessibile a mano utilizzando questi modelli e le topologie di questi paesaggi sono in generale in accordo con le indagini computazionali. Gran parte di questo deriva dal rispetto per le specifiche della geometria molecolare e dei gradi di libertà in questi componenti di modellazione fisica. Nel commento di Linus Pauling sul loro successo nello scoprire la struttura dell'elicoidale¹, hanno affermato che i loro contemporanei affrontavano difficoltà provenienti da presupposti integrali idealisti e adottando "... α solo un'approssimazione approssimativa dei requisiti relativi alle distanze interatomiche, agli angoli di legame e alla planarità del gruppo coniugato amide, come dato dalle nostre indagini sulle sostanze più semplici." Una maggiore comprensione quantitativa in questo campo richiede dettagli più specifici rispetto alle considerazioni prese nella costruzione di queste parti del modello, ma questi modelli e raccomandazioni forniscono una base per l'analisi fisica interattiva generale dei sistemi molecolari. Questi modelli sono un'estensione dei kit di modelli stampabili in 3D che produciamo da diversi anni per attività di ricerca e sensibilizzazione, e ulteriori componenti compatibili sia con questi modelli che con il protocollo descritto sono disponibili dagli autori per consentire disposizioni di incollaggio più diverse e azioni dinamiche.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
ABS: Bobina di filamento nera da 1,75 mm, 1 kg	MakerBot	MP01969	Ottenuto dal rivenditore (B& H e/o Amazon).
ABS: Bobina di filamento grigio scuro da 1,75 mm, 1 kg	Amazon	B07T6W8TRF	Ottenuto dal rivenditore (B& H e/o Amazon).
ABS: Bobina di filamento bianca da 1,75 mm, 1 kg	Hatchbox	B00J0H6NNM	Ottenuto dal rivenditore (B& H e/o Amazon).
Corona Acetone, 1 gallone	Corona	206539	Ottenuto da un negozio di ferramenta (Lowes).
MakerGear M2	MakerGear		Questa stampante è più costosa delle stampanti FDM economiche ottenibili su Amazon o altri siti, ma è progettata per prestazioni più costanti.
MakerGear M2 Dual	MakerGear		Questo modello di stampante non è più disponibile per l'acquisto. È stato sostituito con un nuovo modello che ha doppi estrusori indipendenti.
Nastro per pittori multisuperficie da 1,88 pollici	3M	116480	Ottenuto da un negozio di ferramenta (Lowes).
PETG: Bobina di filamento rosa da 1,75 mm, 1 kg	Amazon		Ottenuto dal rivenditore (B& H e/o Amazon). Non più disponibile da questa azienda.
PETG: Bobina di filamento bianca da 1,75 mm, 1 kg	Amazon		Ottenuto dal rivenditore (B& H e/o Amazon). Non più disponibile da questa azienda.
PLA: bobina di filamento nera da 1,75 mm, 2 libbre	MakerBot	MP05775	Ottenuto dal rivenditore (B& H e/o Amazon).
PLA: bobina di filamento Cool Gray da 1,75 mm, 2 libbre	MakerBot	MP05784	Ottenuto dal rivenditore (B& H e/o Amazon).
PLA: bobina di filamento bianca da 1,75 mm,	MP05780	MakerBot	Ottenuto dal rivenditore (B& H e/o Amazon).
NASTRO IN POLIIMMIDE (ROTOLO DA 2")	MakerGear		Fornito con la stampante da MakerGear, anche se ottenibile da una varietà di fonti.
Simplify3D	Simplify3D		Slicer softward utilizzato nelle stampe. Questo software può essere acquistato dall'azienda o da MakerGear e altri produttori di stampanti 3D.