Name: 3Dプリンティングによるインタラクティブ分子モデルアセンブリ (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-08-13T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 15 s
Description: 学ぶ 3Dプリンティングによるインタラクティブ分子モデルの作成法。シクロヘキサンなどの動的な分子構造を物理的に組み立て、立体配座や分子運動を探索できます。教育・研究現場で分子ダイナミクスの理解を深める実践的プロトコルです。

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この研究は、グラントNo.の下で国立科学財団(NSF)によって支援されました。CHE-1847583.

1. 3D印刷用モデルファイルの作成
注: 多数の 3D プリンタと無料印刷ソフトウェアと商用印刷ソフトウェアは、この記事の範囲を超えた正確な方向を作ります。一般的なプロトコルプロセスと推奨事項は、ここに示されているソフトウェアと3Dプリンタで示されている代表的なモデルに対して具体的な考慮事項を示しています( 資料表を参照)。読者のプリンタに固有の専用の製造元の指示とソフトウェアのスライスの組み合わせは、提供されている推奨事項よりも優先されます。
<ol><li>この記事に関連付けられている補助ステレオリソグラフィー (.stl)ファイル (補助ファイル S1\u2012S5) をダウンロードします。スライサー プログラムを使用して、これらのファイルをコンピューターにアップロードします。</li>
	<li>C_atom_sp3、H_atom、または C C_bond のいずれかのファイルをスライサー プログラムにインポートします。オプションが使用可能な場合は、単位にミリ波形式を使用します。ソフトウェアで、メインウィンドウのモデルパネルのインポートボタンをクリックするか、ファイルプルダウンメニューの下にあるモデルのインポートコマンドを選択します。作成されたファイル ブラウザから適切なモデル ファイルを選択します。<ol>
<li>水素原子の二重押出機のプリント用のH_atom_dual_bottomとH_atom_dual_topの両方のファイルをインポートします。ターゲットフィラメントカラーに基づいて、コンポーネントモデルを関連する押出機に位置合わせ、グループ化、および割り当てます。</li>
	</ol>
</li>
	<li>インポートしたモデルを目的のサイズにスケールします。この場合は、メインディスプレイのグラフィカルモデルまたはメインウィンドウのモデルパネルに表示されている モデル をダブルクリックします。このアクションにより、ターゲット モデルの移動、回転、およびスケーリングを可能にするモデル編集パネルが開きます。代表的なモデルは、すべての相互接続部品に対して50%、100%、200%、320%のスケールで提示されます。<ol>
<li>100% を超えるスケールを持つC_atom_sp3モデルのサポート構造をアクティブ化します。サポート構造は使用できますが、他のすべてのモデルでは一般に必要ではありません。</li>
		<li>100%および小さいスケールモデルのためのいかだまたはつばの構造を活性化しなさい。フラットベースは、所定の位置に固定されたままにするのに十分な接触を持つベッド表面との接触を持つため、ほとんどの大きなモデルのために、このような構造は必要ありません。ラフトは3Dプリントのための十分に付着した最初の層を提供するのに役立ちますので、任意のスケールで最初の印刷層の安定性に問題がある場合、いかだの構造を活性化すると、いかだの構造に必要な材料を犠牲にして、より成功したプリントにつながる可能性があります。</li>
	</ol>
</li>
	<li>[編集]メニューから[モデルを複製]オプションを選択し、結果のダイアログボックスにモデルパーツの数を入力して、モデルの配列を生成します。メインウィンドウのモデルパネルの中央と配置ボタンをクリックするか、または編集プルダウンメニューの中央と配置オプションを選択して、ビルドプラットフォームの中心付近にモデルを配置します。 注: ポリ乳酸 (PLA) で印刷された 6 つのC_atom_sp3モデルの配置例については 、図 1 を参照してください。同じ色の複数の小さな部分を印刷する方が、一度に 1 つのパートを印刷するのが最も安全です。モデル間のフィラメントの引き込みポイントが必要なため、配列内の部品の印刷品質が低くなることがよくあります。モデルの配列プリントは、印刷中に1つの落下部分が他の部品の印刷を妨げる可能性もあるため、故障の可能性も高くなります。</li>
</ol><img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61487/61487fig01.jpg"> 図1:同色の原子や結合を配列として印刷できます。印刷効率をわずかな品質で高めるために、同様の色の部分を配列に容易に印刷します。ここでは、6個のPLA炭素原子が一緒に印刷され、それぞれがアウトラインブリム構造を有する小さないかだ構造上に配置される。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61487/61487fig01large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<ol start="5"><li>メインウィンドウの「プロセス」パネルから「プロセス設定を 追加 」または 「編集」 を使用して、ターゲットプリントの適切なモデル 処理 設定を設定します。 注: 使用するソフトウェアは、PLA、ABS、および他の使用可能な熱可塑性プラスチックの選択可能なデフォルトの処理設定を、新しいプロセスを追加するとき、またはメインウィンドウの[プロセス]パネルから[プロセス設定を編集]をそれぞれクリックしてプロセスを編集する際に選択可能なデフォルトの処理設定を持っています。提供された分子モデル部品の具体的な調整および根拠は以下の通りである。<ol>
<li>モデルの面材の値を 15% ~ 25% に設定します。これにより、フィラメントが少なくなり、部品が軽くなりますが、最終的な組み立て構造は物理的な操作を生き残るために十分な強度を持ちます。</li>
		<li>可能な場合、または必要に応じて、C-C_bondのコネクタ領域とH_atomモデルパーツに対して100%の面材設定を使用して、コネクタタブの耐久性を向上させます。</li>
		<li>印刷の詳細を維持するために、0.2 mm 以下のプリント レイヤの厚さを選択します。</li>
		<li>プロセス設定の [レイヤー] タブで、[最初のレイヤー速度]Layerを 25 ~ 50% の値に設定します。ゆっくりと印刷された最初のレイヤーは、プリントベッドへの接着性を向上させ、より成功した全体的な3Dプリントになります。</li>
		<li>プリンタ押出機とプリンタベッドの温度を、選択したプリンタフィラメント材料に推奨される値に設定します。提供された温度は出発点の推奨事項です。<ol>
<li>PLA の場合は、押出機 = 215 °C を設定します。ベッド = 暖房なし。</li>
			<li>ポリエチレンテレフタレートグリコール変性(PETG)の場合、エクストルーダー=235°C、ベッド=80°Cを設定します。</li>
			<li>アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)の場合、エクストトルーダー=245°C、ベッド=110°Cを設定します。</li>
		</ol>
</li>
		<li>モデルパーツC_atom_sp3、2 つのアウトライン/外周シェルを使用して「外側」のアウトライン方向を使用して、球の下部での印刷の歪みを最小限に抑えます。これらのオプションは、[プロセス設定] ウィンドウの[レイヤー ] タブから使用できます。その他すべてのパーツでは、サーフェス仕上げの面を清掃するには、「裏面」のアウトライン方向をお勧めします。</li>
		<li>整列したH_atom_dual_bottomとH_atom_dual_topモデルの二重押出機のプリントを実行する場合は、オプションで ににじみ出るシールド オプションをオンにします。スライサーは、モデルの周囲に薄い壁ジオメトリを生成し、非アクティブでまだ熱い押出機の先端から滴り落ちるポリマーを捕捉します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>G コード ツールパスを生成するには、モデルを印刷レイヤーにスライスします。メインウィンドウの「印刷準備!」ボタンをクリックするか、または「編集」プルダウンメニューの下にある「印刷準備」オプションを選択します。</li>
</ol>2. 部品印刷用プリンターの準備
<ol><li>プリンタベッドの表面に、青い画家のテープを貼り付けて、加熱されていないベッドに貼ります。プリンタベッドの表面に青い画家のテープと、加熱されたベッド用のポリイミドテープの下層をコーティングします。</li>
	<li>青い画家のテープに接着剤の棒の薄い層を適用します。接着剤スティックポリマーは、ベッド表面への印刷接着性を向上させます。</li>
	<li>プリンタベッドの上に換気されたエンクロージャを置くか、閉じます。エンクロージャは印刷のアニーリングを妨げることができる気流を最小にする。<ol>
<li>PLAの場合は、急速な冷却が好ましいので、すべての換気ポートを開いてください。可能であれば、印刷中にベッドファンの電源を入れます。</li>
		<li>PETGの場合、徐々に冷却されるように限られた数の換気ポートを開くのが好ましい。印刷時にベッドファンは不要です。</li>
		<li>ABSの場合、非常に緩やかな冷却が好ましいように換気口の最小数を開きます。印刷時にベッドファンをオフにします。</li>
	</ol>
</li>
	<li>プリンタの準備ができたら、「USB経由で印刷を開始する」ボタンをクリックして、接続されているプリンタにGコードを送信し、印刷プロセスを開始します。</li>
</ol>3. モデル構造の仕上げと組み立て
<ol><li>プリンタベッドから部品を取り外します。加熱されたベッドプリントの場合は、分離中にモデルが歪むのを避けるために、ベッドが冷却された後に部品を取り外します。</li>
	<li>使用する場合は、部品のベースからいかだやつばの構造を削除します。モデルパーツのベースをミディアムでこすり、細かいグリットサンドペーパーにして、残りの付いたいかだフィラメントを取り除きます。</li>
	<li>表面欠陥を取り除くために、C_atom_sp3モデルパーツのベースを、非常に細かい(320グリット)サンドペーパーに媒体(120グリット)します。非常に細かいグリットサンドペーパーで表面を滑らかにします。1分あたりの低回転で研磨布または緩衝ホイールで表面を研磨して仕上げます。 注: たとえば、直径 0.5 インチのバッファ ホイールを 10,000 rpm に設定した Dremel ツールを研磨に使用すると、印刷物を過度に加熱して表面の欠陥が発生しないように注意します。<ol>
<li>PLA: 図 2のパネルに示すように、印刷は通常、わずかに光沢のある仕上げに続く印刷を行います。この仕上げは粗い研磨によって損なわれますが、光沢のある仕上がりを研磨することで復元できます。</li>
		<li>PETG:プリントは、通常、PLAのように研磨して研磨して復元することができるわずかに光沢のある仕上げをしています。</li>
		<li>ABS: 通常、印刷はマットまたはわずかに光沢のある仕上げで印刷されます (図 3A)。高光沢仕上げ(図3B)は、1\u20122 s用のアセトンバスに部品を別々に浸漬し、アセトンが蒸発し、表面が典型的には12\u201224h以内に固まるまで換気された領域に置くことによって達成することができる。</li>
	</ol>
</li>
</ol>注意:アセトンは可燃性であり、ヒュームフードまたは非常によく換気された領域に控えめに適用する必要があります。ABSはアセトンに溶解するため、アニール不良による層分離欠陥のある部分は液体アセトンで処理しないでください。アセトンは、このような欠陥を通じてモデルに入り、モデルの面材を溶解します(図3C)。アセトン蒸気による研磨は、同様の効果をもたらす遅いプロセスですが、アセトンの燃焼性を考慮して安全上の予防措置を講じる必要があります。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61487/61487fig02.jpg"> 図2:デュアル押出機プリントは、より視覚的に洗練することができます。(A)二重押出機モデル水素原子プリントは、すべての白いモデル水素B原子が印刷するよりも視覚的に凝集している。(C)完全なシクロヘキサンリングを形成するために一緒に接続すると、組み立てられたPLAモデルは機能的に同一である。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61487/61487fig02large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61487/61487fig03.jpg"> 図3:ABSモデルは、光沢のある仕上げのために化学的に処理することができる。(A) ABS モデルプリントは、より拡散やマットな外観を持つ傾向がありますが、(B)アセトンで短いディップで部品を化学的に処理した後、それらは高い光沢仕上げを得る。(C)画層分離欠陥により、アセトンがプリント内部に入ると、アセトンはモデルを裏面から溶解し、崩壊する。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61487/61487fig03large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<ol start="4"><li>C-C_bondとH_atomモデルパーツのコネクタ端を、目的のボンディングトポロジに従ってモデルパーツのソケットに挿入C_atom_sp3。可聴のクリック音が聞こえるまで、モデルパーツを一緒に絞ります。接続されると、単一結合は、バラバラにならずに、この接続のまろぼろに自由に回転する必要があります。 注: 接続フィットが緊密であるため、スケーリング率が 100% を超えるモデルでは、大きな力が必要になる場合があります。提供された部品は、それらを一緒に接続した後に分離することを意図していませんが、非常に重要な適用力で分離することができます。接続されたボンドの回転は、提供される部品およびモデルに望ましい機能です。回転をロックするには、結合モデルの終点にあるタブの間隔を挿入する接続ソケットに固定構造を持つ原子モデル (例えば、sp2 ハイブリダイズカーボン) が必要です。</li>
	<li>必要な分子構造に従って、すべての印刷部品を組み立てます。開いているソケットにH_atomモデルパーツを充填して、C_atom_sp3モデルパーツをすべて飽和させます。シクロヘキサンのようなリングの場合は、モデルパーツ間にC-C_bondモデルパーツでリングC_atom_sp3閉じます。</li>
</ol>

<ol><li>Pauling, L., Corey, R. B., Branson, H. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+structure+of+proteins%3A+Two+hydrogen-bonded+helical+configurations+of+the+polypeptide+chain%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+National+Academy+of+Sciences%22%5BJournal%5D)">The structure of proteins: Two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 37 (4), 205-211 (1951).</li>
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<li>Pinger, C. W., Geiger, M. K., Spence, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Applications+of+3D-Printing+for+Improving+Chemistry+Education%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Chemical+Education%22%5BJournal%5D)">Applications of 3D-Printing for Improving Chemistry Education.</a> Journal of Chemical Education. 97 (1), 112-117 (2020).</li>
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</ol>

著者らは開示するものは何もない。

本研究の主な目的は、コモディティ3Dプリンタを用いた動的分子モデルの作り上げのプロトコルを報告することである。これらのプリンタは、図書館、学校、その他の会場でも自由に利用できるようになっています。はじめに、印刷するモデルと使用する材料の両方に関する選択を行い、これらのオプションから決定するには、創造的なアディティブマニュファクチャリングが研究と指導に何ができるかについて、いくつかのインスピレーションが必要な場合があります。これらの問題に対処するために、我々はいくつかの実用的な材料の推奨事項、提案されたモデル部品、3D印刷プロトコル、および各々のさらなる議論を保証するサンプルアプリケーションを提供する。
3D印刷で使用するための熱可塑性の多くの選択肢があります。この3つの資料は現在、日曜大工の3D印刷に最も広く利用可能なプロトコルの3つを強調しています。選択は、利用可能な3Dプリンタでサポートされている材料に依存する可能性があります、例えば、多くのオープンアクセス施設は、環境上の制約のためにPLAでのみ印刷されます。PLAは、穏やかな温度設定を備えた印刷プロトコルを有する生分解性および堆肥化可能な材料である。ABSとPETGの両方は環境に優しくなく、一般的にリサイクルできませんが、PETGはリサイクル性の高いポリエチレンテレフタレート(PET)に基づいており、最終的にはPETのような広いスプレッド再処理が見られます。持続可能な印刷の実践は、印刷品質と印刷の成功の両方を確保するために一度に少数の部品を印刷することを含み、これはできるだけ少ない廃棄された材料(サポート構造、いかだ、にじみ出る盾など)を使用します。PLAは脆くすることができるので、利用可能であれば、ABSとPETG熱可塑性プラスチックは、より機械的に弾力性があり、層密着性が向上したプリントをもたらす可能性があります。これらの特性は、実験室や教室の設定で定期的な操作を見るインタラクティブな分子モデルに望ましい可能性があります。
ここで示すモデルは、これらの考慮事項を考慮に入れますが、まず動的分子モデルの構築を可能にするために協力するように設計されています。デフォルトのスケールでは、インタラクティブな分子構造にうまく組み立てられます。これらは、大きなモデルに容易にスケールアップすることができますが、接続プロングは大きなサイズで歪むのが簡単ではないため、アセンブリはより多くの力を必要とします。部品の縮小では、炭素原子モデルを48\u201249%に縮小しながら、結合と水素原子を50%に保ち、PLAプリント内の部品間の接続を緊密に保つなど、サイズの50%の縮小が行われます。この小さなモデルはより繊細で、多くの場合、正常に印刷するためにいかだの構造を必要としますが、彼らはまだ動的な分子モデルとして機能しています。
熱可塑性材料と印刷するモデルは、3D 印刷プロトコルの 2 つの最も重要な側面です。選択された熱可塑性は温度、密着性、アニーリング、および仕上げの考慮事項およびオプションを決定する。利用可能な3Dプリンタに加熱されたベッドがない場合、PLAは部品を再現的に印刷する提示された熱可塑性の選択肢の唯一のものです。提供された部品は、異なる熱可塑性樹脂で再現的に印刷し、動的操作に耐えるように設計されていますが、プリントは、多くの場合、ストレスの増加の下に置かれると、使用と亀裂、印刷層の間で劣化します。このような状況では、交換部品を印刷することは容易で比較的費用対効果が高い。
提供されたモデルから印刷された分子アセンブリの動的な機能は、主に接続性とボンディングタイプを強調する他の利用可能な3D印刷可能モデルとは異なります。動的なアスペクトは、例えばシクロヘキサン構造と小さな部分で提示されます。シクロヘキサンの構成風景は、これらのモデルを使用して手で直接アクセス可能であり、これらの風景のトポロジは、計算調査と一般的に一致しています。この多くは、これらの物理モデリングコンポーネントにおける分子幾何学と自由度の詳細を尊重することから来ています。ライナス・ポーリングの、α-helix1の構造を発見した成功に関する解説の中で、彼らは同時代人が理想主義的な積分的仮定から来る困難に直面し、採用する困難に直面していると主張しました。より単純な物質の調査によって与えられたように、結合アミド群の間距離、結合角度、および平面性に関する要件に対する大まかな近似に過ぎません。これらの線に沿ったより定量的な洞察は、これらのモデル部品を構築する際に考慮するよりも詳細な情報を必要としますが、これらのモデルと推奨事項は、分子系の一般的なインタラクティブな物理的調査の基礎を提供します。これらのモデルは、このレポートの数年前から研究とアウトリーチ活動のために生産してきた3Dプリント可能モデルキットの拡張であり、これらのモデルと記載されたプロトコルの両方と互換性のある追加のコンポーネントパーツは、著者から入手して、より多様なボンディングの取り決めと動的アクションを可能にします。

分子構造構築は、分子の形状と相互作用に関する理解を発見し検証するための重要な側面として長い間重要な側面でした。物理モデル構築は、Paulingららによるタンパク質中のα-らせん構造の決定における動機付けの側面であったが、水,2、3、およびワトソンとクリック4によるDNAの一次クラスレートハイドレート構造とを有する。2ジェームズ・ワトソンのDNA構造の公表された説明では、リン原子を作るためにモデルの炭素原子の周りに銅線を巻き付け、原子の不安定な繊細な懸濁液を作り、機械店5からスズの切り抜きを待っている間にベースの段ボールの切り抜きを作るなど、このようなモデル構築で直面する苦労の多くを詳述しています。このようなモデル構築における苦労は、物理的なモデルが物理アプローチを増強または完全に取り替える計算モデリングで大部分を改善してきましたが、物理モデルは化学教育と実験66、7、8、97,8,9において依然として不可欠な側面です。
2010年頃から、3Dプリンティングは、クリエイティブなデザインと製造のツールとして採用が大幅に増加しています。この成長は、技術の広範な商業化に焦点を当てた一連の新しい企業からの様々な融合堆積モデリング(FDM)プリンタの競争と可用性によって駆動されています。アクセシビリティの向上に伴い、化学教育および実験実験室,の設定,,,,,,,10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21でこれらの技術の応用が同時に増加しています。10,11,1220,2113141516171819この間、NIH 3D Print Exchange22などの 3D モデルの商業用およびオープンなコミュニティ リポジトリは、3D 印刷用のモデル システムをよりアクセスしやすくしましたが、これらのモデルの多くは特定のターゲット分子を中心に配置され、結合接続性とタイプに重点を置いた単純な静的構造を提供する傾向があります。より一般的な原子および分子群は、より創造的な構造を可能にする12、23、,23および分子構造のための触覚、動的、および力の敏感なフィードバックを用いて一般的な構造の作成を可能にすることができるモデルの必要性がある。
ここでは、飽和炭化水素の動的分子モデルを形成するために容易に印刷および組み立てることができる分子モデル構造成分を提示する。コンポーネント構造は、私たちの研究室や大学のための拡張とアウトリーチ活動のために開発したより広いキットの一部です。提供される部品は、商品FDM 3Dプリンタ上で様々なポリマーフィラメントタイプで印刷できるように設計されています。シングルおよびデュアル押出機FDMプリンタの異なるポリマーと仕上げ技術を用いてモデル結果を提示します。これらのコンポーネントはスケーラブルで、より大きな講義設定での個人調査とデモンストレーションの両方に適したモデル製造を可能にします。
本報告書の主な目的は、他の研究者や教育者が化学構造の詳細や知識をより物理的な方法で3Dプリンティングで翻訳するのを支援することです。この目的のために、シクロヘキサンを異なるスケールで組み立てて操作することで、アプリケーションの例を強調します。6メンバーのリングシステムの立体構造は、導入的な有機化学コース24の中心的なトピックであり、これらの適合者は、環および糖構造25、26、27,26,27の反応性の要因である。印刷されたモデルは、鍵リング適合者24を柔軟に採用し、リング相互変換経路に必要な力を直接探索し、手で定性的に評価することができる。

<table><tbody><tr><td>ABS:ブラック1.75mmフィラメントスプール、1</td><td>kgMakerBot</td><td>MP01969</td><td>再販業者(B&Hおよび/またはAmazon)。</td></tr><tr><td>ABS:ダークグレー1.75 mmフィラメントスプール、1 kg</td><td>アマゾン</td><td>B07T6W8TRF</td><td>再販業者(B&Hおよび/またはAmazon)。</td></tr><tr><td>ABS:ホワイト1.75mmフィラメントスプール、1kg</td><td>ハッチボックス</td><td>B00J0H6NNM</td><td>再販業者(B&Hおよび/またはAmazon)。</td></tr><tr><td>クラウンアセトン、1ガロン</td><td></td>クラウン<td>206539</td><td>金物店(Lowes)から入手。</td></tr><tr><td>MakerGear M2</td><td>MakerGear</td><td></td><td>このプリンターは、Amazonや他のサイトで入手できる安価なFDMプリンターよりも高価ですが、より一貫したパフォーマンスを実現するように設計されています。</td></tr><tr><td>MakerGear M2 Dual</td><td>MakerGear</td><td></td><td>このモデルのプリンターは購入できなくなりました。独立したデュアルエクストルーダーを備えた新しいモデルに置き換えられました。</td></tr><tr><td>マルチサーフェス 1.88-in ペインター テープ</td><td>3M</td><td>116480</td><td>金物店 (Lowes) から入手。</td></tr><tr><td>PETG:ピンク1.75 mmフィラメントスプール、1 kg</td><td>アマゾン</td><td></td><td>再販業者(B&Hおよび/またはAmazon)。この会社からは販売されなくなりました。</td></tr><tr><td>PETG:ホワイト1.75 mmフィラメントスプール、1 kg</td><td>アマゾン</td><td></td><td>再販業者(B&Hおよび/またはAmazon)。この会社からは販売されなくなりました。</td></tr><tr><td>PLA:ブラック1.75 mmフィラメントスプール、2ポンド</td><td>MakerBot</td><td>MP05775</td><td>再販業者(B&Hおよび/またはAmazon)。</td></tr><tr><td>PLA:クールグレー1.75 mmフィラメントスプール、2ポンド</td><td>MakerBot</td><td>MP05784</td><td>再販業者(B&Hおよび/またはAmazon)。</td></tr><tr><td>PLA:ホワイト1.75 mmフィラメントスプール、2ポンド</td><td>MakerBot</td><td>MP05780</td><td>再販業者(B&Hおよび/またはAmazon)。</td></tr><tr><td>ポリイミドテープ(2インチロール)</td><td>MakerGear</td><td></td>プリンター<td>に付属していますが、さまざまなソースから入手できます。</td></tr><tr><td>Simplify3D</td><td>Simplify3D</td><td></td><td>スライサーは、印刷で使用されるソフトワードです。このソフトウェアは、同社から購入することも、MakerGearや他の3Dプリンターメーカーから購入することもできます。</td></tr></tbody></table>

3dプリンティングによるインタラクティブ分子モデルアセンブリ

Interactive Molecular Model Assembly with 3D Printing

3Dプリンティングのアクセシビリティの拡大に伴い、化学研究所や化学教育におけるアディティブ製造プロセスへの応用と関心が高まっています。分子系の物理モデリングの長く成功した歴史に基づいて、形状や接続性を表す以上のことを行うことができる分子構造の3Dプリンティングを容易にするプロトコルとともに、選択したモデルを提示します。記述されたように組み立てられたモデルは、飽和炭化水素構造に動的な側面と自由度を組み込んでいます。代表的な例として、シクロヘキサンは、異なる熱可塑性樹脂を使用して印刷され、完成した部品から組み立てられ、結果のモデルはさまざまなスケールで機能を保持しています。結果の構造は、計算や文献と一致する構成空間のアクセシビリティを示し、これらの構造のバージョンは、他の方法で伝えるのが難しい概念を説明するための補助として使用することができます。この演習では、成功した印刷プロトコルを評価し、組み立てに関する実用的な推奨事項を作成し、分子系の物理モデリングの設計原則を概説することができます。提供された構造、手順および結果は、3Dプリンティングによる分子構造とダイナミクスの個々の製造および探査のための基礎を提供します。

提供されるプロトコルは、インタラクティブ分子モデル構築のための様々な潜在的なオプションをカバーしています。これらのモデル部品を用いた分子集合の基本・統一例として、インタラクティブなシクロヘキサン構造を様々なスケールで組み立てることを選択しました。図2は、この構造に必要な部品(6個のC原子、6個のC-C結合、12個のH原子)を示しています。これらの特定の印刷は、資料一覧に記載されている両方のプリンタを使用して作成されました。より高価なデュアル押出機プリンタは、デュアルカラーコンポーネントの生産を可能にします。ここで結合の中間点で色変化を伴う2色水素原子構造(図2A)。図2Bのモノ色の水素は、シールド構造がにじみ出ていない、アクティブ押出機の切り替えにおけるポリマーの引き込みが不足しているため、約50\u201260%の時間で印刷されます。組み立てられたシクロヘキサン構造(図2C)は機能的に同等ですが、二重押出機のプリントは適度に洗練された外観になる傾向があります。
図 2の PLA モデルは、プリンタからまっすぐに ABS モデルよりも洗練された、かなり良い仕上げをしています (図 3A)。アセトンを用いたABSモデルの化学的処理は、表面に濡れた外観を与える滑らかで高い光沢仕上げを与える(図3B)。このような仕上げは、特にABSモデルがうまくアニールされていない場合は、面倒なことができます。ABSで印刷された大型モデルは、層分離欠陥を起こしやすい。レイヤー分離の欠陥は、押出機が次のレイヤーを横切るために横断する前に、前のレイヤーが冷却されたときに発生します。大きなABSプリントの場合、プリンタの加熱ベッド周辺の環境が、冷却速度を遅くするために均一かつ暖かい温度に保たれていることは非常に重要です。レイヤーの欠陥を持つプリントがアセトンに沈んだ場合、アセトンはモデルに入り、内部支持構造を溶解します。これにより、図 3Cに示すように、内部からモデルが折りたたまれます。
視覚的に異なる外観は、モデル構造の機能に対して 2 番目に大きな効果を示します。コネクタは、単一結合に関する自由な回転を可能にするように設計されました。異なるシステムでの有用性をテストするために、炭素原子径が17.5mm、35mm、70mm、112mmからなる4つの異なる部品サイズが印刷されました。組み立てられたシクロヘキサン構造(図4)は、同様に屈曲、歪曲、適合性のある適合体を採用することができました。これらのモデルの中で最も小さいのは印刷上の欠陥が最も多く、このサイズが小さすぎる可能性があり、部品の相対的なサイズを微調整せずに推奨されませんでした。小さいプリントの主な利点の1つは、印刷の速度です。最も大きいサイズの単一炭素原子に必要な10 hと比較して、2時間前後で印刷される最も小さい炭素原子の6個の配列。印刷が遅い一方で、大きなモデルは、遠くから小さな構造物の動きを見るのが難しい講義の設定でのコミュニケーションに対してより効果的である可能性があります。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61487/61487fig04.jpg"> 図4:モデルは様々なスケールで機能しています。シクロヘキサンモデルは、異なる目的で印刷する方法を説明するために、4つの異なるスケールで組み立てられ、すべてが同じ機能を保持しています。最も大きい炭素原子はソフトボール(直径112mm)より大きく、最も小さいシクロヘキサンはソフトボール内に収まる。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61487/61487fig04large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
動的な側面は、これらの構造を他の印刷可能な分子モデルから分離する重要な属性の1つです。原子は互いに対して容易に回転することができるので、構造はシクロヘキサンの異なる代表適合体にスナップするために歪めることができる。図5は、それぞれの構成空間間の相互変換のための椅子、ボート、および遷移状態構造を示す。この遷移状態点は、ほぼ平面形状24、28、B3LYP/6-311+G(2d,p)計算を行うのと同じ遷移状態構造に4つの標識炭素原子を有する29。24,28同じ遷移状態の仮想周波数モーションに従って、2のアップと3ダウンをわずかにツイストするとボートコンフォーマの風景にモデルがスナップされ、わずかに 2 つ下にねじれ、3 上に構造が椅子コンフォーマに戻ります。
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61487/61487fig05.jpg"> 図5 シクロヘキサンのコンフォーマーは完全にアクセス可能です。原子は結合のまちを回すことができるので、モデルは、立体ロックされた椅子とより立体構造の自由なボート形態を採用することができる。これらの形態間の遷移状態は、環内の4つのほぼ同一平面炭素原子を含む。3ダウンで2を軽くねじるとボートコンフォーマーにモデルが滑り込み、2を3アップでねじるとモデルは椅子コンフォーマーに戻ります。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61487/61487fig05large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
最適化された状態ポイントの B3LYP/6-311+G(2d,p) 計算 (補助ファイル S6\u2012S9)からの状態ポイントの自由エネルギー推定値 (補足表 S1)は、ツイストボートとボートの適合者の間にギャップを与えます 0.8 kcal/mol,これは298.15 Kで熱エネルギーに非常に近いです。これは、これらの間の変換がほぼ自由にサンプリングされるべきであることを示唆しています。椅子コンフォーマと相互変換遷移状態の間のギャップはこの値の10倍以上であり、椅子が同じ位置合いでロックされるべきであることを示している。この図6に示す図は、環状面に対する各炭素原子位置がガス相分子動力学計算30,31,31の過程で球体に緯度に投影されたときの推定コンフォーマエネルギーを示す。左側の椅子コンフォーマーでは、炭素原子がリングプレーンの上下に置き換えられるとエネルギーが低くなりますが、リングプレーンに合わせて変位すると劇的に上昇します。ボートコンフォーマーでは、炭素がリングプレーン(ツイストボート状態)にある場合、コンフォーマエネルギーは比較的低く、より高い変位のボートコンフォーマーは劇的に高いエネルギーではありません。これらの構成風景は3Dプリントされたシクロヘキサンモデルで探索することができ、椅子コンフォーマは局所的にしか振動できないのに対し、ボートコンフォーマは対向する炭素原子の1組から次の炭素原子にスムーズにアンジュレートすることができます。
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61487/61487fig06.jpg"> 図 6: モデルの動作は計算と一致します。椅子とボートのコンフォーマ状態では、分子動力学計算の過程での環状平面に関する炭素原子の緯位変位を、囲む球の表面に投影することができる。椅子の形態は最もエネルギー安定であるが、それはロックされ、高エネルギー遷移状態を通過することによってのみ反転形態に相互変換することができる。計算および印刷されたモデルの柔軟性は両方、ボートおよびねじれたボートの適合者が298.15 Kで1 kBT に近く離れることを示し、この形態の炭素原子のほぼ自由な緯位変位を可能にする。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61487/61487fig06large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
補足表S1:状態点自由エネルギー推定値。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/Table_S1.xlsx" target="_blank">こちらの表をダウンロードしてください。</a>
補足ファイル 1.<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S1_C_atom_sp3.stl" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補足ファイル 2.<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S2_C-C_bond.stl" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補足ファイル 3.<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S3_H_atom.stl" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補足ファイル 4.<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S4_H_atom_dual_bottom.stl" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補足ファイル 5.<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S5_H_atom_dual_top.stl" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補助ファイル 6.<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S6_Chair_B3LYP.pdb" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補足ファイル 7.<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S7_Boat_B3LYP.pdb" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補足ファイル 8.<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S8_TwistBoat_B3LYP.pdb" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補助ファイル 9.<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/61487/File_S9_TransitionState_B3LYP.pdb" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>

顕微鏡システムの物理モデリングは、他の手段では得ることが困難な洞察を得るのに役立ちます。物理的な分子モデルの構築を容易にするために、3Dプリンティングを使用して、分子系の質を触覚的に捉える機能的な巨視的モデルを組み立てる方法を実証します。

3Dプリンティングによるインタラクティブ分子モデルアセンブリ

With the growth in accessibility of 3D printing, there has been a growing application of and interest in additive manufacturing processes in chemical ...

3Dプリンティングは、ますます利用でき、アクセス可能な技術です。このプロトコルは、実際の分子系の動的な性質を保持する物理的な分子モデルを印刷し、組み立てるために使用することができます。分子モデルとの対話性は、通常、接続性を示すに限定される。3Dプリンティングは、この列車の立体構造の探索と、様々なスケールでの分子運動を開くことができます。静的な原稿で動きを伝えることは困難です。したがって、モデルの印刷、組み立て、操作の方法を確認できることは貴重です。3D 印刷用のモデル ファイルを準備するには、提供される補助ステレオリソグラフィ ファイルをダウンロードし、スライサー プログラムを使用してコンピューターにファイルをアップロードします。carbon_atom_SP3、水素原子、または炭素炭素結合ファイルのいずれかをスライサープログラムにインポートし、オプションがある場合は単位のミリフォーマットを選択します。メインウィンドウのモデルパネルで「インポート」をクリックし、生成されたファイルブラウザから水素原子デュアルボトムと水素原子デュアルトップファイルの両方をインポートします。インポートしたモデルを目的のサイズにスケールするには、メインディスプレイでグラフィカルモデルをダブルクリックして、ターゲットモデルの移動、回転、スケーリングを可能にするモデル編集パネルを開きます。モデルを複製してモデル配列を生成するには、[編集]メニューから[モデルの複製]オプションを選択し、ダイアログボックスにモデルパーツの数を入力します。メインウィンドウのモデルパネルで[中央揃えと配置]をクリックして、ビルドプラットフォームの中心付近にモデルを配置し、メインウィンドウのプロセスパネルから「追加」を使用して、ターゲットプリントの適切なモデル処理設定を設定します。次に、モデルを印刷レイヤーにスライスして G コードツールパスを生成し、メインウィンドウの「印刷準備」ボタンをクリックします。モデル印刷用のプリンタを準備するには、非加熱プリンタベッドの表面に青い画家のテープをコーティングし、接着剤スティックを使用してテープにポリマーの薄い層を適用します。次に、プリンタベッドの上に換気されたエンクロージャを置き、印刷アニールを妨げかよる気流を最小限に抑えます。印刷後、印刷した部品をプリンターベッドから取り出し、使用する場合は、部品のベースからいかだまたはつばの構造を取り除きます。モデルパーツのベースをミディアムでこすり、細かいグリットサンドペーパーにして、残りの付いたいかだフィラメントを取り除きます。そして、表面の欠陥を取り除くために120から320グリットサンドペーパーでcarbon_atom_SP3モデル部品のベースを砂。次に、320グリットサンドペーパーで表面を滑らかにし、研磨布を使用して表面を所望の仕上げに研磨します。すべてのピースを研磨したら、目的の結合トポロジに従って、カーボンカーボン結合のコネクタ端と水素原子モデルの部品をcarbon_atom_SP3モデル部品のソケットに挿入します。可聴のクリック音が聞こえるまで、モデルパーツを一緒に絞ります。接続後、単結合は分離することなくこの接続を中心に自由に回転し、その後、任意のオープンソケットを水素原子モデル部分で満たす所望の分子構造に従って印刷された部品の残りの部分を組み立てて、すべてのcarbon_atom_SP3モデル部品を飽和させる必要があります。リング状シクロヘキサンの場合は、モデルパーツ間にカーボンカーボンボンドモデルパーツを付けてリングcarbon_atom_SP3ポーズをとります。インタラクティブ分子モデルの構築に必要な部分を以下に示します。炭素原子6個、炭素結合6個、水素原子12個。これらの単色水素は、新しいにじみ出るシールド構造の欠如と活性押出機間の切り替えにおけるポリマーの引き込みの欠如のために、約50〜60%の時間で印刷します。組み立てられたシクロヘキサン構造は、デュアル押出機のプリントが適度に洗練されて見える傾向がある場合でも、機能的に同等です。PLAモデルはプリンターからまっすぐにABSモデルより比較的洗練されている。アセトン処理は滑らかで光沢の高い仕上がりになります。アセトンは、内部支持構造やモデルを層欠陥で解体することもできますが、モデルが崩壊する結果となります。組み立てられたシクロヘキサン構造はすべて、同じ方法で屈曲、歪曲、および適合性を採用することができます。これらのモデルの中で最も小さいのは印刷の欠陥が最も多く、このサイズが小さすぎる可能性があり、部品の相対的なサイズを微調整せずに推奨されません。印刷が遅い一方で、大きなモデルは講義の設定でのコミュニケーションに対してより効果的である可能性があります。原子は互いに対して容易に回転することができるので、構造はシクロヘキサンの異なる代表適合体にスナップするように歪めることができる。分子シミュレーションと同様に、椅子の立体構造の流域は制限され、ボートの洗面器の構造は流動的にボートおよびねじれボートの立体構造にアクセスできる間、利用できる動きを制限する。プリンタベッドの準備は、十分に接着された第1層を確保するために不可欠です。このレイヤーがないと、印刷が失敗する可能性があります。このプロトコルはシクロヘキサンモデルを例として提供しますが、任意のインタラクティブな飽和炭化水素モデルを印刷し、提供されたstlファイルで組み立てることができます。

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化学

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