Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

מודל מולקולרי אינטראקטיבי הרכבה עם הדפסה תלת-ממדית

Published: August 13, 2020 doi: 10.3791/61487
Automatic Translation
1, 1
1Department of Chemistry, Oklahoma State University

Summary

מידול פיזי של מערכות מיקרוסקופיים עוזר להשיג תובנות שקשה להשיג באמצעים אחרים. כדי להקל על הבנייה של דגמים מולקולריים פיזיים, אנו מדגימים כיצד הדפסה 3D ניתן להשתמש כדי להרכיב מודלים מאקרוסקופי פונקציונלי ללכוד איכויות של מערכות מולקולריות בצורה מישוש.

Abstract

עם הצמיחה בנגישות של הדפסה תלת-ממדית, יש יישום הולך וגובר של ועניין בתהליכי ייצור מוספים במעבדות כימיות וחינוך כימי. בנייה על ההיסטוריה הארוכה והמוצלחת של מידול פיזי של מערכות מולקולריות, אנו מציגים דגמים נבחרים יחד עם פרוטוקול כדי להקל על הדפסה תלת-ממדית של מבנים מולקולריים המסוגלים לעשות יותר מאשר לייצג צורה וקישוריות. מודלים שנאספו כמתואר לשלב היבטים דינמיים ודרגות של חופש לתוך מבנים פחמימנים רווי. כדוגמה מייצגת, ציקלוהקטן הורכב מחלקים שהודפסו וסיים באמצעות תרמופלסטים שונים, והדגמים המתקבלים שומרים על הפונקציונליות שלהם במגוון סולמות. המבנים המתקבלים מציגים נגישות מבצעות space העקבית עם חישובים וספרות, וגירסאות של מבנים אלה יכולות לשמש כעזרים להמחשת מושגים שקשה להעביר בדרכים אחרות. תרגיל זה מאפשר לנו להעריך את פרוטוקולי ההדפסה המצליחים, לבצע המלצות מעשיות להרכבה ועקרונות עיצוב מיתאר למודלים פיזיים של מערכות מולקולריות. המבנים, הנהלים והתוצאות המסופקים מספקים בסיס לייצור וחקר בודדים של מבנה מולקולרי ודינמיקה עם הדפסת תלת-ממד.

Introduction

בניין מבנה מולקולרי כבר זמן רב היבט קריטי עבור גילוי ואימות של ההבנה שלנו של הצורה של אינטראקציה בין מולקולות. מבנה המודל הפיזי היה היבט מוטיבציה בקביעת מבנה α-סליל בחלבונים על ידי פאולינג ואח '1, המרכיב העיקרי של מבנים מים2,3, ואת מבנה הסליל כפול של דנ א על ידי ווטסון וקריק4. בחשבון הפרסום של ג'יימס ווטסון על מבנה ה-DNA, הוא מפרט רבים מן המאבקים הניצבים בפני בניין מודל כזה, כגון גלישת חוט נחושת סביב אטומי פחמן מדגם כדי ליצור אטומי זרחן, שתלים עדינים באופן מבסיסי של אטומים, וביצוע מגזרות קרטון של בסיסים תוך המתנה של מגזרות פח מהמכונה. מאבקים כאלה בבניין מודל היו במידה רבה לתקן מידול חישובית הגדלת או לחלוטין לנטיעת גישות פיזיות, אף מודלים פיזיים נשארים היבט חיוני בחינוך כימי וניסויים6,7,8,9.

מאז בסביבות 2010, הדפסה תלת-ממדית ראתה גידול משמעותי באימוץ ככלי לעיצוב יצירתי וייצור. צמיחה זו מונעת על ידי תחרות וזמינות של מגוון של מדפסות התמזגו-מידול (FDM) מודלים מסדרה של חברות חדשות התמקדו מסחור רחב של הטכנולוגיה. עם הנגישות הגוברת, הייתה צמיחה בו ביישום של טכנולוגיות אלה בחינוך כימיה והגדרות מעבדה ניסויית10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. במהלך תקופה זו, הן מסחריים ומאגרים הקהילה הפתוחה עבור דגמי תלת-ממד, כגון הדפסה 3D NIH Exchange22, עשו מערכות מודל עבור הדפסה 3d נגיש יותר, למרות רבים של מודלים אלה נוטים להיות ממורכז על מולקולות היעד הספציפי ולספק מבנים סטטיים פשוטים עם דגש על קישוריות קשר וסוג. קבוצות מולקולריות כלליות יותר של האטום והמולקולרי יכולות לאפשר מבנים יצירתיים יותר12,23, ויש צורך במודלים שיכולים לאפשר יצירת מבנה כללית עם מישוש, דינמי ומשוב רגיש למבנים מולקולריים.

כאן, אנו מציגים מודל מולקולרי מבנה מרכיבים שניתן להדפיס בקלות והתאספו כדי ליצור מודלים מולקולריים דינאמיים של פחמימנים רווי. מבני הרכיב הינם חלק מערכה רחבה יותר שפיתחנו עבור פעילויות הרחבה ופעילות הסיוע עבור המעבדה והאוניברסיטה שלנו. החלקים שסופקו התוכננות להיות מודפס עם מגוון של סוגי פילמנט פולימריים על הסחורה FDM מדפסות תלת-ממד. אנו מציגים את תוצאות המודל באמצעות פולימרים שונים וטכניקות גימור ממדפסות FDM יחיד וכפול. רכיבים אלה מדרגיים ומאפשרים ייצור מודלים מתאימים לחקירה אישית ולהדגמה בהגדרות ההרצאות הגדולות יותר.

המטרה העיקרית של דו ח זה היא לסייע לחוקרים אחרים ומחנכים בתרגום פרטי מבנה כימי וידע בדרכים פיזיות יותר עם הדפסה תלת-ממדית. לשם כך, אנו מדגישים את האפליקציה על ידי הרכבת ותפעול הציקלוקסאן בסולמות שונים. שישה חברים מערכת טבעת הקונמציות הם נושא ליבה של המבוא לכימיה אורגנית קורסים24, והקונמגבנים האלה הם גורם בפעילות מחודשת של טבעת וסוכר מבנים25,26,27. הדגמים המודפסים לאמץ באופן גמיש את הקונמודות מפתח הטבעת24, ואת הכוח הדרוש עבור הטבעת מסלולים interconversion ניתן לחקור ישירות והעריך בצורה ידנית.

Protocol

1. הכנת קובצי מודל להדפסת תלת מימד

הערה: המספר הגדול של מדפסות תלת-ממד ותוכנת הדפסה חופשית ומסחרית מבצע כיוונים מדויקים מעבר לטווח של מאמר זה. תהליך כללי של פרוטוקול והמלצות מסופקים כאן, עם שיקולים ספציפיים שניתנו עבור מודלים מייצגים המוצגים עם התוכנה המפורטים מדפסות תלת-ממד (ראה טבלת חומרים). כיווני היצרן הייעודיים הספציפיים למדפסת הקורא ולשילוב התוכנה של הפריסה מקבלים קדימות על-פני ההמלצות שסופקו.

  1. הורד את הקבצים המשלימים סטריאואוליגרפיה (. stl) המשויכים למאמר זה (קבצים משלימים S1\u2012S5). העלה קבצים אלה למחשב באמצעות תוכנית הפורס.
  2. יבא אחד מקבצי C_atom_sp3, H_atom או C-C_bond לתוכנית הפורס. השתמש בתבנית מילימטר עבור היחידות אם אפשרות זמינה. בתוכנה, לחץ על לחצן ייבוא של החלונית ' מודלים ' של החלון הראשי או בחר בפקודה יבא מודלים תחת התפריט הנפתח של הקובץ . בחר את קובץ המודל המתאים מדפדפן הקבצים המתקבל.
    1. יבא קבצי H_atom_dual_bottom וH_atom_dual_top עבור הדפסות כפולות של אטום המימן. יישר, קבץ והקצה את מודלי הרכיבים למכבש המתאים בהתאם לצבע הפילמנט המיועד.
  3. שנה את קנה המידה של המודל המיובא לגודל הרצוי. בשביל זה, לחץ פעמיים על הדגם הגרפי בתצוגה הראשית או על הדגם המפורט בחלונית ' מודלים ' של החלון הראשי. פעולה זו פותחת לוח עריכה של מודל המאפשר תרגום, סיבוב ושינוי קנה מידה של מודל היעד. מודלים מייצגים מוצגים עבור 50%, 100%, 200%, ו 320% scale עבור כל החלקים החוברים.
    1. הפעל מבני תמיכה עבור דגמי C_atom_sp3 עם סולמות גדולים מ-100%. ניתן להשתמש במבני תמיכה אך בדרך כלל אינם נחוצים עבור כל הדגמים האחרים.
    2. הפעל רפסודה או מבנה ברים עבור 100% ודגמים בקנה מידה קטן יותר. מבנים כאלה לא צריך להיות הכרחי עבור הדגמים הגדולים ביותר כמו בסיס שטוח יהיה קשר מספיק עם משטח המיטה כדי להישאר קבוע במקום. רפסודות מסייעים לספק שכבה ראשונה מלאה להדפסה תלת-ממדית, ולכן אם יש קשיים ביציבות הרובד הראשון המודפס בכל קנה מידה, הפעלת מבנה רפסודה עלולה להוביל להדפסות מוצלחות יותר על חשבון החומר הדרוש למבנה הרפסודה.
  4. שכפל מודלים כדי ליצור מערך של מודלים לפי הצורך באמצעות בחירה באפשרות ' מודלים כפולים ' מתפריט ' עריכה ' והזנת מספר חלקי הדגם בתיבת הדו שתיווצר. סדר את המודלים ליד מרכז פלטפורמת הבנייה על-ידי לחיצה על הלחצן מרכז וסדר בחלונית ' מודלים ' של החלון הראשי, או על-ידי בחירת האפשרות מרכז וסדר תחת התפריט עריכה נפתחת.
    הערה: ראה איור 1 לסידור לדוגמא של שישה C_atom_sp3 דגמים המודפסים באמצעות חומצה פוליקלטית (PLA). בטוח יותר להדפיס חלק אחד בכל פעם, למרות הדפסת חלקים קטנים מרובים של אותו צבע הוא בדרך כלל יותר יעיל בזמן. איכות ההדפסה של חלקים במערכים נמוכה לעתים קרובות עקב הצורך בנקודות הנסיגה של מודלים מסוימים. להדפסת מערך של מודלים יש גם סבירות מוגברת של כשל כחלק אחד שנפל במהלך ההדפסה יכול להפריע להדפסה של חלקים אחרים.

Figure 1
איור 1: ניתן להדפיס באמצעות אטומים או איגרות חוב כמו בצבע כמערכים. כדי להגביר את יעילות ההדפסה בעלות קלה באיכות, חלקים כמו צבע מודפסים בקלות במערכים. כאן, שישה אטומי פחמן מודפסים יחד, כל אחד ממוקם על מבנה רפסודה קטן עם מבנה שוליים לחלוקה לרמות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

  1. הגדר את הגדרות עיבוד המודל המתאימות להדפסת יעד באמצעות הוספה או עריכה של הגדרות תהליך מהחלונית ' תהליכים ' של החלון הראשי.
    הערה: התוכנה המשמשת לבחירה כוללת הגדרות עיבוד המשמשות כברירת מחדל עבור PLA, ABS ותרמוגנטים זמינים אחרים בעת הוספת תהליך חדש או עריכת תהליך על-ידי לחיצה בהתאמה על הגדרות תהליך הוספה או עריכה מהחלונית ' תהליכים ' של החלון הראשי. התאמות ספציפיות ורציונל עבור חלקי מודל מולקולרי שסופקו לעקוב.
    1. הגדר את ערך המודל המוגדר בין 15% ל -25%. זה יהיה להשתמש פחות חוט ולגרום לחלקים בהירים יותר, אבל המבנים האחרונים התאספו יהיה חזק מספיק כדי לשרוד מניפולציה פיזית.
    2. השתמש בהגדרות 100% infill עבור אזורי המחברים של רכיבי C-C_bond ומH_atom מודל במידת האפשר או לפי הצורך כדי להגדיל את העמידות של כרטיסיות מחברים.
    3. בחרו עובי שכבת הדפסה של 0.2 מ"מ או קטן יותר כדי לשמור על פרטי הדפסה.
    4. הגדר את מהירות השכבה הראשונה לערך בין 25 ל-50% בכרטיסיה שכבה של הגדרות התהליך. שכבה ראשונה מודפסת באיטיות תשפר את הדבקה למיטת ההדפסה ותגרום להדפסת תלת-ממד מוצלחת יותר.
    5. הגדר את מכבש המדפסת ואת טמפרטורות מיטת המדפסת לערכים המומלצים עבור חומר הפילמנט שנבחר. הטמפרטורות שסופקו הן המלצות נקודת התחלה.
      1. עבור PLA, הגדר את הבלטת ממד = 215 ° c; מיטה = אין חימום.
      2. מערכת הבלטת ממד (PETG) הינה בעלת מכבש לאטילתיטה גליקול 235 ° c ומיטה = 80 ° c.
      3. לאקריל בוטניטריל (ABS) הגדרת הבלטת ממד = 245 ° c ומיטה = 110 ° c.
    6. עבור חלקי מודל C_atom_sp3, השתמש בשתי כיווני חלוקה לרמות/היקפית עם כיוון חלוקה לרמות של "מחוץ למערכת" כדי למזער את עיוות ההדפסה בתחתית הספרה. אפשרויות אלה זמינות מהכרטיסיה שכבה בחלון הגדרות התהליך . עבור כל החלקים האחרים, כיוון החלוקה לרמות "מבפנים החוצה" מומלץ לסיום משטח נקי יותר.
    7. אם ביצוע הדפסה של מכבש משני כפול של המודלים H_atom_dual_bottom והH_atom_dual_top המיושרים, הפעל אפשרות מגן מפני באופן אופציונלי. הפורס לאחר מכן יפיק גאומטריה של הקיר הדק סביב המודל כי יתפסו כל פולימר נוטף מן הלא פעיל, עדיין חם, הבלטת מנוע טיפ.
  2. פורסים את המודל לשכבות הדפסה כדי ליצור נתיב כלים של קוד G. לחץ על הלחצן ' התכונן להדפסה ' בחלון הראשי, או בחר באפשרות ' הכנה להדפסה ' תחת התפריט ' עריכה נפתחת '.

2. הכנת המדפסת להדפסת חלקים

  1. העילו את פני השטח של מיטת המדפסת עם סרט של צייר כחול עבור מיטות לא מחוממות. העילו את פני השטח של מיטת המדפסת עם הקלטת של הצייר הכחול ושכבת תחתון של סרט פולאימיד למיטות מחוממות.
  2. החילו שכבה דקה של מקל דבק על קלטת הצייר הכחול. דבק פולימר מקל ישפר את ההדבקה הדפסה על פני המיטה.
  3. מקם או סגור מארז מאוורר מעל מיטת המדפסת. מארז ממזער את זרמי האוויר שעלולים להפריע לריפוי ההדפסה.
    1. עבור PLA, פתח את כל יציאות האוורור כאשר הקירור המהיר הוא המועדף. הפעל מאוורר מיטה במהלך ההדפסה אם הדבר אפשרי.
    2. עבור PETG, לפתוח מספר מוגבל של יציאות אוורור כמו קירור הדרגתי עדיפה. מאוורר מיטה אינו נחוץ במהלך ההדפסה.
    3. עבור ABS, לפתוח מספר מינימלי של יציאות אוורור כמו קירור הדרגתי מאוד הוא המועדף. כבו את אוהדי המיטה במהלך ההדפסה.
  4. לאחר הכנת המדפסת, לחץ על הלחצן "התחל הדפסה על USB" כדי לשלוח את קוד ה-G למדפסת המחוברת ולהתחיל בתהליך ההדפסה.

3. גימור והרכבה של מבני מודל

  1. הסרת חלקים ממיטת המדפסת. במקרה של הדפסי מיטה מחוממים, להסיר חלקים לאחר המיטה התקרר כדי למנוע עיוות המודל במהלך ההפרדה.
  2. להסיר מבנים רפסודה או ברים מהבסיס של חלקים אם נעשה שימוש. לשפשף את הבסיס של החלק דגם עם בינוני עד דק נייר הזכוכית כדי להסיר את כל החוטים המצורפים שנותרו.
  3. חול הבסיס של הC_atom_sp3 מודל חלקים עם בינוני (120 אומץ) כדי בסדר מאוד (320 חצץ) נייר זכוכית כדי להסיר פגמים במשטח. להחליק את פני השטח עם נייר זכוכית משובח החצץ. להבריק את פני השטח לסיום הרצוי עם בד ליטוש או גלגל מאגר במהפכה נמוכה לדקה.
    הערה: לדוגמה, כלי Dremel עם גלגל מאגר בקוטר 0.5 אינץ ' להגדיר 10,000 סל ד יכול לשמש לליטוש, לטפל לא כדי לחמם את ההדפסה מדי לגרום פגמים בפני השטח.
    1. PLA: הדפסים בדרך כלל יש גימור מבריק מעט לאחר הדפסה כפי שמוצג בלוחות של איור 2. גימור זה נפגם על-ידי מסדינג גס, אך הגימור המבריק יכול להיות משוחזר בליטוש.
    2. PETG: הדפסים בדרך כלל יש גימור מבריק מעט כי ניתן לשחזר ושוחזר עם ליטוש כמו עם PLA.
    3. ABS: הדפסים בדרך כלל יש מט או רק גימור מבריק שולית בעקבות ההדפסה (איור 3A). גימור גבוהה מבריק (איור 3B) יכול להיות מושגת על ידי בנפרד לטבול את החלקים באמבטיה אצטון עבור 1 \ u20122 s והצבת אותם באזור מאוורר עד אצטון התאדה והמשטח התחזק בתוך בדרך כלל 12 \ u201224 h.

התראה: אצטון דליק ויש למרוח בחסכנות בתוך מכסה המנוע או באזור מאוורר היטב. ABS מתמוסס ב אצטון, כך חלקים עם פגמים הפרדת שכבה עקב ריפוי עני לא צריך להיות מטופלים עם אצטון נוזלי. אצטון יהיה להזין מודלים דרך פגמים כאלה לפזר את המודל infill (איור 3C). ליטוש עם אדי אצטון הוא תהליך איטי יותר שיגרום לאפקט דומה, אם כי יש לקחת את אמצעי הזהירות של הבטיחות בעזרת היכולת של אצטון.

Figure 2
איור 2: הדפסות מכבש כפול יכולות להיות מעודנות יותר באופן חזותי. (א) הדפסיםשל מימןאטום הדגם השני מלוכדים באופן חזותי יותר מ (ב) כל הדגמים הלבנים אטום מימן הדפסים. (ג) כאשר מחוברים יחד כדי ליצור טבעות ציקלוהקטן מלא, מודלים PLA התאספו זהים מבחינה פונקציונלית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: מודלים ABS ניתן לעבד כימית עבור גימור מבריק. (A) מודל ABS הדפסים נוטים להיות מבריק יותר או מאט מראה, אבל (ב) לאחר טיפול כימית את החלקים עם טבילה קצרה באצטון הם להשיג גימור מבריק גבוה. (ג) אם אצטון נכנס לפנים של הטביעה דרך פגמים הפרדת שכבה, אצטון יהיה לפזר את המודל מבפנים החוצה, גורם לו להתמוטט. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

  1. הוסף את קצות המחברים של רכיבי C-C_bond וH_atom מודל לשקעים בחלקי מודל C_atom_sp3 בהתאם לטופולוגיית מליטה רצויה. לסחוט חלקי מודל יחד עד לשמע לחיצה נשמעת. לאחר חיבור, הקשר היחיד צריך לסובב בחופשיות על החיבור הזה מבלי להתפרק.
    הערה: התאמת החיבור היא הדוקה, ולכן הדבר עשוי לדרוש כוח משמעותי עבור מודלים עם שינוי קנה מידה גדול מ-100%. החלקים המסופקים אינם מיועדים להיות מופרדים לאחר חיבורם יחד, אך ניתן להפריד ביניהם בכוח שהוחל בצורה משמעותית. סיבוב על קשר מחובר הוא התכונה הרצויה עבור חלקים ודגמים שסופקו. נעילת סיבוב דורש מודל אטום (הוכלא הפחמן sp2, למשל) עם מבנה קבוע בשקע החיבור המוסיפה בין הרווחים של הכרטיסיות בסוף מודל האג ח.
  2. הרכיבו את כל החלקים המודפסים בהתאם למבנה המולקולרי הרצוי. הפחתת כל החלקים C_atom_sp3 דגם על-ידי מילוי כל socket פתוח עם חלק מדגם H_atom. לטבעת כמו ציקלוקסטן, סגרו את הטבעת בחלק C-C_bond דגם שבין החלקים C_atom_sp3 דגם.

Representative Results

הפרוטוקול המסופק מכסה מגוון רחב של אפשרויות אפשריות לבניית מודל מולקולרי אינטראקטיבי. כדוגמה בסיסית ומאחדת להרכבה מולקולרית באמצעות חלקי מודל אלה, בחרנו להרכיב מבני ציקלוקסאן אינטראקטיביים במגוון סולמות. איור 2 מציג את החלקים הנחוצים למבנה זה: שישה אטומים, שישה איגרות חוב C-c, ו-12 אטומי H. הדפסים ספציפיים אלה עוצבו באמצעות שתי המדפסות המפורטות בטבלת החומרים. מדפסת הבלטת ממד הכפולה היקרה יותר מאפשרת ייצור של רכיבי צבע כפולים; כאן מבני שני בצבע אטום מימן עם שינוי צבע באמצע הקשר (איור 2A). The מונו בצבע הידרוגנים באיור 2B להדפיס בתוך כ 50 \ u201260% פחות זמן בשל חוסר מבנה מגן הנוזל וחוסר retractions פולימר במעבר בין הבלטת ממד פעיל. מבנים ציקלוהקאן התאספו (איור 2C) הם שווי מבחינה פונקציונלית, למרות הדפסים הבלטת מכבש כפול נוטים להיראות בינוני יותר מעודן.

מודלים PLA באיור 2 יש גימור נחמד סביר כי הוא מעודן יותר מאשר מודלים ABS ישר מן המדפסת (איור 3a). טיפול כימי של מודלים ABS עם אצטון נותן גימור מבריק חלק וגבוה זה כמעט נותן את פני השטח מראה רטוב (איור 3B). גימור כזה יכול להיות בעייתי, במיוחד אם מודלים ABS אינם מנספחים היטב. דגמים גדולים המודפסים עם ABS מועדים לפגמים בהפרדת השכבות. פגמים בהפרדת השכבה מתרחשים כאשר השכבה הקודמת מתקררת לפני שהמכבש יכול לעבור לצד השני כדי להניח את השכבה הבאה. זה חשוב באופן קריטי עבור ABS גדול הדפסים כי הסביבה סביב מיטת החימום של המדפסת להישאר בטמפרטורה אפילו חמה כדי להאט את קצב הקירור. אם הדפסה עם פגם שכבה הוא שקוע באצטון, אצטון ייכנס למודל ולפזר את מבנה התמיכה הפנים. זה יהיה לכווץ את המודל מבפנים כמוצג באיור 3C.

מראה ברור מבחינה חזותית הוא משני לפונקציונליות של מבני המודל. המחברים תוכננו כדי לאפשר סיבוב חופשי על איגרות חוב בודדות. כדי לבדוק את כלי השירות שלהם במערכות שונות, ארבעה סטים של חלקים שונים הודפסו, עם קוטר אטום הפחמן פועל מ 17.5 מ"מ, 35 מ"מ, 70 מ"מ, ו 112 mm. מבני הציקלוקסאן התאספו (איור 4) היו מסוגלים להגמיש, לעוות ולאמץ מגבשי רלוונטיות באותו אופן. הקטן מבין מודלים אלה היה הנוטה ביותר להדפיס פגמים, מה שהופך את גודל זה קטן מדי ולא מומלץ מבלי לכוונן את הגודל היחסי של החלקים. אחד היתרונות העיקריים להדפסות קטנות יותר הוא מהירות ההדפסה. מערך של שישה אטומי פחמן הקטן ביותר המודפס בסביבות 2 h, לעומת 10 h נדרש עבור אטום פחמן יחיד בגודל הגדול ביותר. בעוד הדפסה איטית, מודלים גדולים עלולים להיות יעילים יותר עבור תקשורת בהגדרות ההרצאה, שם יהיה קשה לראות את התנועה של מבנה קטן ממרחק.

Figure 4
איור 4: מודלים פונקציונליים במגוון סולמות. כדי להמחיש כיצד ניתן להדפיס את המודלים למטרות שונות, דגמי ציקלוהקסאן התאספו בארבע סולמות שונים ושומרים על אותה פונקציונליות. אטומי הפחמן של הגדול ביותר הם גדולים יותר מאשר כדור בסיס (112 מ"מ קוטר) בעוד הציקלוקסאן המורכב של הקטן ביותר יכול להתאים בתוך כדור בסיס. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

ההיבט הדינמי הוא אחת התכונות המרכזיות המפרידים בין מבנים אלה לבין דגמים מולקולריים אחרים הניתנים להדפסה. מאחר והאטומים יכולים לסובב בקלות באופן יחסי זה לזה, המבנים יכולים להיות מעוותים כדי לחדור לתוך הקונגבונים הנציגים השונים של ציקלוקסטן. איור 5 מראה את הכיסא, הסירה, ואת מבנה מצב המעבר עבור המרה בין מרחבי התצורה שלהם בהתאמה. נקודת מצב מעבר זה יש ארבעה המסומנים אטומי פחמן בגיאומטריה כמעט מישורי24,28, מבנה מצב מעבר זהה כי אחד משיגה עושה B3LYP/6-311 + G (2d, p) חישובים29. בעקבות מצב מעבר זהה התנועה תדר דמיוני, מעט מתפתל 2 למעלה ו 3 למטה יהיה להצמיד את המודל לתוך הסירה הנוף לשעבר, בעוד מעט מתפתל 2 למטה ו 3 למעלה יחזיר את המבנה הכיסא לשעבר.

Figure 5
איור 5: מגבשי הציקלוקסטן נגישים באופן מלא. כאשר האטומים יכולים לסובב על איגרות החוב שלהם, המודלים יכולים לאמץ את הכיסא נעול באופן שולי ויותר להיות מבחינה מבצעית צורות סירה חינם. מצב המעבר בין צורות אלה כרוך בארבעה אטומי פחמן כמעט שקופאר בזירה. מתפתל קלות 2 עד 3 למטה יהיה להחליק את המודל לתוך הסירה לשעבר, בעוד מתפתל 2 למטה עם 3 למעלה יחזיר את המודל לכיסא הכסא. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

נקודת המדינה הערכות אנרגיה חופשית (טבלה משלימה S1) מ B3LYP/6-311 + G (2d, p) חישובים של נקודות המדינה אופטימיזציה (קבצים משלימים S6\u2012S9) לתת פער בין הסירה הפיתול והסירה של 0.8 קק ל/מול, שהוא קרוב מאוד אנרגיה תרמית ב 298.15 K. הדבר מרמז על כך שההמרה בין אלה צריכה להיות מדגם כמעט בחופשיות. הפער בין הכסא לבין מצב המעבר הבין-דתי הוא יותר מעשר פעמים בערך זה, ומצביע על כך שהכיסא צריך להיות נעול בהשוואה. זה מומחש באיור 6, אשר מציג אנרגיה conformer שעבר ממוצע מוערך כאשר כל מיקום אטום הפחמן בקרוב מטוס הטבעת הוא מוקרן על כדור במהלך בשלב הדינמיקה המולקולארית של גז חישוב30,31. בכיסא משמאל, האנרגיה נמוכה כאשר אטומי הפחמן מנעקרו מעל או מתחת למישור הטבעת, אבל הוא מתעלה באופן דרמטי אם הם מתחבאים כדי להתיישר עם מישור הטבעת. בסירה לשעבר, האנרגיה הקונלשעבר הוא נמוך יחסית כאשר הפחמנים הם במישור הטבעת (מדינה הסירה טוויסט), ואת הסירה העקורים יותר מאוד לא באנרגיה גבוהה באופן דרסטי. נופי תצורה אלה ניתן לחקור עם מודלים 3D מודפס ציקלוהקסאן, עם הכיסא conformer שעבר רק להיות מסוגל לרטוט באופן מקומי בעוד הסירה לשעבר יכול בצורה חלקה בלתי מאוחר זוג אחד של אטומי פחמן מנוגדים למשנהו.

Figure 6
איור 6: התנהגות המודל תואמת לחישובים. בכיסא ובסירה מדינות לשעבר, העקירה latitudinal של אטומי הפחמן על מישור הטבעת במהלך החישוב דינמיקה מולקולרית ניתן לוקרן על פני השטח של כדור תוחם. בעוד הטופס כיסא הוא יציב ביותר אנרגטית, הוא נעול והוא יכול רק להמיר את הטופס הפוך על ידי עובר דרך מצב אנרגיה גבוהה מעבר. גם חישובים וגמישות מודל מודפס מצביעים על כך הסירה ומתפתל סירה מופרדים על ידי קרוב 1 kBT ב 298.15 k, המאפשר הזחה כמעט בחינם latitudinal של אטומי פחמן בצורה זו. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

טבלה משלימה S1: נקודת המצב של הערכות אנרגיה חופשית. אנא לחץ כאן כדי להוריד את הטבלה.

קובץ משלים 1. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 2. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 3. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 4. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 5. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 6. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 7. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 8. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 9. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Discussion

המטרה העיקרית של מחקר זה היא לדווח על פרוטוקול לחיקוי של דגמים מולקולריים דינמיים עם מדפסות תלת-ממד הסחורות. מדפסות אלה נגישות יותר ויותר, לעתים קרובות אפילו חופשיות לשימוש בספריות, בבתי ספר ובמקומות אחרים. תחילת התחלת כרוך ביצוע בחירות על שני הדגמים כדי להדפיס את החומרים להשתמש ולהחליט מאפשרויות אלה עשויים לדרוש קצת השראה לגבי מה הייצור תוסף יצירתי יכול לעשות עבור מחקר והדרכה. כדי לטפל בסוגיות אלה, אנו מספקים כמה המלצות חומריות מעשיות, הצעות לחלקי מודל, פרוטוקול הדפסה תלת-ממדי ויישום לדוגמה, שכל אחד מהם מתחייב לדיון נוסף.

ישנן אפשרויות רבות של תרמופלסטיים לשימוש בהדפסת תלת-ממד. אנו להדגיש שלושה בפרוטוקול המוצג כמו שלושת החומרים האלה הם כעת הנפוצים ביותר עבור לעשות זאת בעצמך 3D הדפסה. הבחירה עשויה להיות תלויה בחומר הנתמך על-ידי מדפסת תלת-ממדית זמינה, לדוגמה מתקני גישה פתוחים רבים יודפסו רק עם PLA עקב אילוצים סביבתיים. PLA הוא חומר מתכלה וcompostable שיש לו פרוטוקול הדפסה עם הגדרות טמפרטורה קלה. הן ABS ו PETG הם פחות ידידותיים לסביבה ולא למיחזור בדרך כלל, למרות PETG מבוסס על מאוד פוליאתילן terאפרם למיחזור (PET) ועשוי בסופו של דבר לראות התפשטות רחב יותר לעבד כמו PET. נוהלי הדפסה בת קיימא יהיו כרוכים בהדפסת מספר חלקים בכל פעם כדי להבטיח את איכות ההדפסה ואת הצלחת ההדפסה, זה תוך שימוש כחומר מושלך קטן (מבני תמיכה, רפסודות, מגינים הנוזל, וכו ') ככל האפשר. PLA יכול להיות שביר, אז אם זמין, ABS ו-PETG תרמופלטיקה יכול לגרום הדפסים כי הם גמישים יותר מכנית ושיפור הדבקה השכבה, בהתאמה. מאפיינים אלה יכולים להיות רצוי עבור מודל מולקולרי אינטראקטיבי שיראה מניפולציה סדירה בסביבה מעבדה או בכיתה.

הדגמים המוצגים כאן לקחת את השיקולים האלה בחשבון, למרות שהם קודם לכן מהונדסים לעבוד יחד כדי לאפשר בנייה דינמית דגם מולקולרי. בקנה המידה המוגדר כברירת מחדל, הם ירכיבו בהצלחה מבנים מולקולריים אינטראקטיביים. הם יכולים להיות מדורגים עד מודלים גדולים, למרות ההרכבה ידרוש יותר כוח כמו החיבור משתנה קל פחות לעוות בגודל גדול יותר. ב כיווץ הרכיבים, הפחתה של 50% בגודל עדיין תפעל עם שינויים קלים, כגון כיווץ מודל אטום הפחמן ל-48 \ u201249% תוך שמירה על הקשר ואת אטום המימן ב-50% כדי לאפשר חיבורים הדוקים יותר בין חלקים בהדפסת PLA. דגמים קטנים אלה הם עדינים יותר, ולעתים קרובות דורשים מבני רפסודה כדי להדפיס בהצלחה, אבל הם עדיין פונקציונליים כמו מודלים מולקולריים דינאמיים.

חומר תרמופלסטי ודגמים שנבחרו להדפיס הם שני ההיבטים הקריטיים ביותר של פרוטוקול הדפסה תלת-ממדית. תרמופלסטיים שנבחרו יהיה להכתיב את הטמפרטורה, הדבקה, ריפוי, ושיקולים הגמר ואפשרויות. אם למדפסת התלת-ממדית הזמינה אין מיטה מחוממת, PLA הוא היחיד מבין הברירות המוצגות בתרמופלסטיים שיודפסו חלקים. בעוד החלקים שסופקו מיועדים הדפסה מחדש עם תרמוגנטים שונים ולהחזיק עד מניפולציה דינמית, הדפסים לבזות עם שימוש וסדק, לעתים קרובות בין שכבות הדפסה, כאשר ממוקם תחת לחץ גובר. במצבים כאלה, קל וחסכוני יחסית להדפסת חלק חלופי.

הפונקציונליות הדינאמית של הרכבות המולקולריות המודפסות מהמודלים שסופקו מבדילה בין עבודה זו לבין מודלים זמינים אחרים הניתנים להדפסה ותלת-ממדיים, המבליטים בעיקר קישוריות וסוגי מליטה. ההיבטים הדינמיות מוצגים בחלק קטן עם מבנה הציקלוהקאן. הגדרת התצורה של הציקלוקסטן נגישה ישירות באמצעות הדגמים הללו, והטופולוגיות הנופים הללו הן בהסכמה כללית עם חקירות חישוביות. הרבה מזה נובע מתוך כבוד לפרטי הגיאומטריה המולקולרית ודרגות החופש במרכיבי המודלים הפיזיים הללו. בפרשנות של לינוס פאולינג על הצלחתם לגלות את המבנה של α-סליל1, הם טענו כי בני גילם עומדים בפני קשיים הבאים הנחות אינטגראליסטים ואימוץ... רק קירוב מחוספס לדרישות לגבי מרחקים בין-אטומיים, זוויות קשר, והפלגליות של הקבוצה אמיד מעלה, כפי שניתן על ידי החקירות שלנו של חומרים פשוטים יותר. תובנה כמותית יותר לאורך הקווים הללו מחייבת פרטים ספציפיים יותר מאשר השיקולים שננקטו בבניית חלקי מודל אלה, אך מודלים והמלצות אלה מספקים בסיס לחקירה פיזית אינטראקטיבית כללית של מערכות מולקולריות. מודלים אלה הם הרחבה של ערכות מודל 3D להדפסה שאנחנו כבר הפקת עבור פעילויות מחקר וסיוע במשך מספר שנים לפני דו ח זה, וחלקים נוספים רכיבים התואמים הן מודלים אלה ואת הפרוטוקול המתואר זמינים מן המחברים כדי לאפשר הסדרי מליטה מגוונת יותר ופעולה דינמית.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

עבודה זו נתמכת על ידי הקרן הלאומית למדעים (NSF) תחת גרנט לא. צ'ה-1847583.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
ABS: Black 1.75 mm filament spool, 1 kg MakerBot MP01969 Obtained from reseller (B&H and/or Amazon).
ABS: Dark Gray 1.75 mm filament spool, 1 kg Amazon B07T6W8TRF Obtained from reseller (B&H and/or Amazon).
ABS: White 1.75 mm filament spool, 1 kg Hatchbox B00J0H6NNM Obtained from reseller (B&H and/or Amazon).
Crown Acetone, 1 Gallon Crown 206539 Obtained from a hardwares store (Lowes).
MakerGear M2 MakerGear This printer is more costly than inexpensive FDM printers obtainable on Amazon or other sites, but it is engineered for more consistent performance.
MakerGear M2 Dual MakerGear This model printer is no longer available for purchase. It has been replaced with a new model that has independent dual extruders.
Multi-Surface 1.88-in Painters Tape 3M 116480 Obtained from a hardwares store (Lowes).
PETG: Pink 1.75 mm filament spool, 1 kg Amazon Obtained from reseller (B&H and/or Amazon). No longer available from this company.
PETG: White 1.75 mm filament spool, 1 kg Amazon Obtained from reseller (B&H and/or Amazon). No longer available from this company.
PLA: Black 1.75 mm filament spool, 2 lb MakerBot MP05775 Obtained from reseller (B&H and/or Amazon).
PLA: Cool Gray 1.75 mm filament spool, 2 lb MakerBot MP05784 Obtained from reseller (B&H and/or Amazon).
PLA: White 1.75 mm filament spool, 2 lb MakerBot MP05780 Obtained from reseller (B&H and/or Amazon).
POLYIMIDE TAPE (2" ROLL) MakerGear Provided with the printer from MakerGear, though obtainable from a variety of sources.
Simplify3D Simplify3D Slicer softward used in prints. This software can be purchased from the company, or it can be purchased from MakerGear and other 3D printer makers.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pauling, L., Corey, R. B., Branson, H. R. The structure of proteins: Two hydrogen-bonded helical configurations of the polypeptide chain. Proceedings of the National Academy of Sciences. 37 (4), 205-211 (1951).
  2. Claussen, W. F. Suggested Structures of Water in Inert Gas Hydrates. The Journal of Chemical Physics. 19 (2), 259-260 (1951).
  3. Claussen, W. F. A Second Water Structure for Inert Gas Hydrates. The Journal of Chemical Physics. 19 (11), 1425-1426 (1951).
  4. Watson, J. D., Crick, F. H. C. Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature. 171 (4356), 737-738 (1953).
  5. Watson, J. D. The double helix: a personal account of the discovery of the structure of DNA. , Weidenfeld and Nicolson. (1981).
  6. Cademartiri, R., et al. A simple two-dimensional model system to study electrostatic-self-assembly. Soft Matter. 8 (38), 9771-9791 (2012).
  7. Reches, M., Snyder, P. W., Whitesides, G. M. Folding of electrostatically charged beads-on-a-string as an experimental realization of a theoretical model in polymer science. Proceedings of the National Academy of Sciences. 106 (42), 17644-17649 (2009).
  8. Tricard, S., et al. Analog modeling of Worm-Like Chain molecules using macroscopic beads-on-a-string. Physical Chemistry Chemical Physics. 14 (25), 9041-9046 (2012).
  9. Tricard, S., Stan, C. A., Shakhnovich, E. I., Whitesides, G. M. A macroscopic device described by a Boltzmann-like distribution. Soft Matter. 9 (17), 4480-4488 (2013).
  10. Capel, A. J., Rimington, R. P., Lewis, M. P., Christie, S. D. R. 3D printing for chemical, pharmaceutical and biological applications. Nature Reviews Chemistry. 2 (12), 422-436 (2018).
  11. Jones, O. A. H., Spencer, M. J. S. A Simplified Method for the 3D Printing of Molecular Models for Chemical Education. Journal of Chemical Education. 95 (1), 88-96 (2018).
  12. Paukstelis, P. J. MolPrint3D: Enhanced 3D Printing of Ball-and-Stick Molecular Models. Journal of Chemical Education. 95 (1), 169-172 (2018).
  13. Pinger, C. W., Geiger, M. K., Spence, D. M. Applications of 3D-Printing for Improving Chemistry Education. Journal of Chemical Education. 97 (1), 112-117 (2020).
  14. Robertson, M. J., Jorgensen, W. L. Illustrating Concepts in Physical Organic Chemistry with 3D Printed Orbitals. Journal of Chemical Education. 92 (12), 2113-2116 (2015).
  15. Au - Da Veiga Beltrame, E., et al. 3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy. JoVE. (121), e55427 (2017).
  16. Fourches, D., Feducia, J. Student-Guided Three-Dimensional Printing Activity in Large Lecture Courses: A Practical Guideline. Journal of Chemical Education. 96 (2), 291-295 (2019).
  17. Rossi, S., Benaglia, M., Brenna, D., Porta, R., Orlandi, M. Three Dimensional (3D) Printing: A Straightforward, User-Friendly Protocol To Convert Virtual Chemical Models to Real-Life Objects. Journal of Chemical Education. 92 (8), 1398-1401 (2015).
  18. Griffith, K. M., Cataldo, R. d, Fogarty, K. H. Do-It-Yourself: 3D Models of Hydrogenic Orbitals through 3D Printing. Journal of Chemical Education. 93 (9), 1586-1590 (2016).
  19. Carroll, F. A., Blauch, D. N. 3D Printing of Molecular Models with Calculated Geometries and p Orbital Isosurfaces. Journal of Chemical Education. 94 (7), 886-891 (2017).
  20. Van Wieren, K., Tailor, H. N., Scalfani, V. F., Merbouh, N. Rapid Access to Multicolor Three-Dimensional Printed Chemistry and Biochemistry Models Using Visualization and Three-Dimensional Printing Software Programs. Journal of Chemical Education. 94 (7), 964-969 (2017).
  21. Carroll, F. A., Blauch, D. N. Using the Force: Three-Dimensional Printing a π-Bonding Model with Embedded Magnets. Journal of Chemical Education. 95 (9), 1607-1611 (2018).
  22. The NIH 3D Print Exchange. The NIH 3D Print Exchange: A Public Resource for Bioscientific and Biomedical 3D Prints. 3D Printing and Additive Manufacturing. 1 (3), 137-140 (2014).
  23. Penny, M. R., et al. Three-Dimensional Printing of a Scalable Molecular Model and Orbital Kit for Organic Chemistry Teaching and Learning. Journal of Chemical Education. 94 (9), 1265-1271 (2017).
  24. Nelson, D. J., Brammer, C. N. Toward Consistent Terminology for Cyclohexane Conformers in Introductory Organic Chemistry. Journal of Chemical Education. 88 (3), 292-294 (2011).
  25. Anet, F. A. L., Bourn, A. J. R. Nuclear Magnetic Resonance Line-Shape and Double-Resonance Studies of Ring Inversion in Cyclohexane-d11. Journal of the American Chemical Society. 89 (4), 760-768 (1967).
  26. Mayes, H. B., Broadbelt, L. J., Beckham, G. T. How Sugars Pucker: Electronic Structure Calculations Map the Kinetic Landscape of Five Biologically Paramount Monosaccharides and Their Implications for Enzymatic Catalysis. Journal of the American Chemical Society. 136 (3), 1008-1022 (2014).
  27. Satoh, H., Manabe, S. Design of chemical glycosyl donors: does changing ring conformation influence selectivity/reactivity. Chemical Society Reviews. 42 (10), 4297-4309 (2013).
  28. Allinger, N. L. Conformational analysis. 130. MM2. A hydrocarbon force field utilizing V1 and V2 torsional terms. Journal of the American Chemical Society. 99 (25), 8127-8134 (1977).
  29. Gaussian 09 v.Revision C.01. , Gaussian, Inc. Wallingford CT. (2010).
  30. Abraham, M. J., et al. GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers. SoftwareX. 1-2, 19-25 (2015).
  31. Wang, J., Wolf, R. M., Caldwell, J. W., Kollman, P. A., Case, D. A. Development and testing of a general amber force field. Journal of Computational Chemistry. 25 (9), 1157-1174 (2004).

Tags

כימיה גיליון 162 הדפסה תלת ממדית מולקולה מידול ציקלוהקאן מבנה צורה conformer שעבר
מודל מולקולרי אינטראקטיבי הרכבה עם הדפסה תלת-ממדית
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Fazelpour, E., Fennell, C. J.… More

Fazelpour, E., Fennell, C. J. Interactive Molecular Model Assembly with 3D Printing. J. Vis. Exp. (162), e61487, doi:10.3791/61487 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter