Summary
Fysisk modellering af mikroskopiske systemer hjælper med at opnå indsigt, der er vanskelige at opnå på andre måder. For at lette konstruktionen af fysiske molekylære modeller demonstrerer vi, hvordan 3D-print kan bruges til at samle funktionelle makroskopiske modeller, der fanger molekylære systemers kvaliteter på en taktil måde.
Abstract
Med den stigende tilgængelighed af 3D-print, har der været en stigende anvendelse af og interesse i additiv fremstillingsprocesser i kemiske laboratorier og kemisk uddannelse. Med afbaseret på den lange og succesfulde historie af fysisk modellering af molekylære systemer, præsenterer vi udvalgte modeller sammen med en protokol for at lette 3D-print af molekylære strukturer, der er i stand til at gøre mere end repræsenterer form og tilslutningsmuligheder. Modeller samlet som beskrevet indarbejde dynamiske aspekter og frihedsgrader i mættede kulbrinte strukturer. Som et repræsentativt eksempel blev cyclohexan samlet fra dele trykt og færdig ved hjælp af forskellige termoplast, og de resulterende modeller bevarer deres funktionalitet på en række forskellige skalaer. De resulterende strukturer viser konfigurationspladstilgængelighed i overensstemmelse med beregninger og litteratur, og versioner af disse strukturer kan bruges som hjælpemidler til at illustrere begreber, der er vanskelige at formidle på andre måder. Denne øvelse gør os i stand til at evaluere vellykkede udskrivningsprotokoller, komme med praktiske anbefalinger til samling og skitsere designprincipper for fysisk modellering af molekylære systemer. De medfølgende strukturer, procedurer og resultater udgør et fundament for individuel fremstilling og udforskning af molekylær struktur og dynamik med 3D-print.
Introduction
Molekylær struktur bygning har længe været et kritisk aspekt for opdagelse og validering af vores forståelse af formen af og interaktioner mellem molekyler. Fysisk modelbygning var et motiverende aspekt ved bestemmelsen af α-helixstruktur i proteiner ved Pauling et al.1, den primære clathrate hydrat struktureraf vand 2,3, og dobbelt-helix struktur AF DNA af Watson og Crick4. I James Watson's offentliggjorte redegørelse for DNA-struktur, han beskriver mange af de kampe, der står i en sådan model bygning, såsom indpakning en kobbertråd omkring model kulstofatomer til at gøre fosfor atomer, usikkert sarte suspensioner af atomer, og gøre pap udskæringer af baser, mens du venter på tin udskæringer framaskinværkstedet 5. Sådanne kampe inden for modelbygning er i vid udstrækning blevet afhjulpet med beregningsmæssige modellering, der øger eller helt erstatter fysiske tilgange , selv om fysiske modeller fortsat er et væsentligt aspekt i forbindelse med kemisk uddannelse ogeksperimentering 6,7,8,9.
Siden omkring 2010 har 3D-print set en betydelig vækst i anvendelse som et værktøj til kreativt design og produktion. Denne vækst har været drevet af konkurrence og tilgængelighed af en række Fused-Deposition Modeling (FDM) printere fra en række nye virksomheder med fokus på bred kommercialisering af teknologien. Med den voksende tilgængelighed har der været en samtidig vækst i anvendelsen af disse teknologier inden for kemiuddannelse og eksperimentelle laboratorieindstillinger10,,11,12,13,14 , 1515,16,17,18,19,20,21.,, I løbet af denne periode har både kommercielle og åbne community-lagre til 3D-modeller, såsom NIH 3D Print Exchange22,gjort modelsystemer til 3D-udskrivning mere tilgængelige, selvom mange af disse modeller har tendens til at være centreret om specifikke målmolekyler og give enkle statiske strukturer med vægt på forbindelse til obligationer og type. Mere generelle atomare og molekylære grupper kan muliggøre mere kreativekonstruktioner 12,23, og der er behov for modeller, der kan muliggøre generel struktur skabelse med taktile, dynamisk, og kraft følsom feedback for molekylære strukturer.
Her præsenterer vi molekylære modelstrukturkomponenter, der let kan udskrives og samles til dynamiske molekylære modeller af mættede kulbrinter. Komponentstrukturerne er en del af et bredere kit, som vi har udviklet til udvidelses- og opsøgende aktiviteter for vores laboratorium og universitet. De medfølgende dele er udviklet til at kunne udskrives med en række polymerglødetrådtyper på fdm 3D-printere. Vi præsenterer modelresultater ved hjælp af forskellige polymerer og efterbehandling teknikker fra både enkelt og dobbelt ekstruder FDM printere. Disse komponenter er skalerbare, hvilket gør det muligt at fremstille modeller, der er velegnede til både personlig undersøgelse og demonstration i større forelæsningsindstillinger.
Hovedformålet med denne rapport er at hjælpe andre forskere og undervisere med at oversætte detaljer og viden om kemiske strukturer på mere fysiske måder med 3D-printning. Til dette formål fremhæver vi et eksempel ansøgning ved at samle og manipulere cyclohexan på forskellige skalaer. Overensstemmelser med ringsystemet med seks medlemmer er et centralt emne i introduktionskurserne for organisk kemi24, og disse konforme er en faktor i ring - og sukkerstrukturernes reaktivitet25,26,27. De trykte modeller anvender fleksibelt nøgleringens koneorer24, og den kraft, der er nødvendig for ringomkonverteringsveje, kan udforskes direkte og evalueres kvalitativt i hånden.
Protocol
1. Udarbejdelse af modelfiler til 3D-udskrivning
BEMÆRK: Det store antal 3D-printere og gratis og kommerciel udskrivning software gøre nøjagtige retninger ud over rammerne af denne artikel. Generelle protokolprocesser og anbefalinger gives her, med særlige overvejelser for repræsentative modeller vist med den angivne software og 3D-printere (se Tabel over Materialer). Dedikerede producentanvisninger, der er specifikke for en læsers printer og udskæringssoftwarekombination, har forrang frem for de angivne anbefalinger.
- Hent de supplerende stereolitografifiler (.stl), der er knyttet til denne artikel (Supplerende filer S1\u2012S5). Overfør disse filer til computeren med udsnitsprogrammet.
- Importer en af C_atom_sp3-, H_atom- eller C-C_bond-filer i udsnitsprogrammet. Brug millimeterformat til enhederne, hvis en indstilling er tilgængelig. I softwaren skal du enten klikke på knappen Importer i panelet Modeller i hovedvinduet eller vælge kommandoen Importer modeller under menuen Fil rullemenuen. Vælg den relevante modelfil fra den resulterende filbrowser.
- Importer både H_atom_dual_bottom og H_atom_dual_top filer til dobbelt ekstruder udskrifter af brintatom. Juster, grupper og tildel komponentmodellerne til den relevante ekstruder baseret på målfilamentfarven.
- Skaler den importerede model til den ønskede størrelse. Til dette skal du dobbeltklikke på enten den grafiske model i hovedvisningen eller den angivne model i panelet Modeller i hovedvinduet. Denne handling åbner et modelredigeringspanel, der muliggør oversættelse, rotation og skalering af målmodellen. Repræsentative modeller præsenteres for 50%, 100%, 200% og 320% skala for alle sammenkoblingsdele.
- Aktivér støttestrukturer for C_atom_sp3 modeller med vægte, der er større end 100 %. Støttestrukturer kan anvendes, men er generelt ikke nødvendige for alle andre modeller.
- Aktiver en tømmerflåde eller randen struktur for 100% og mindre skala modeller. Sådanne strukturer bør ikke være nødvendige for de fleste større modeller, da den flade base vil have tilstrækkelig kontakt med sengeoverfladen til at forblive fastgjort på plads. Rafts bidrage til at give et godt klæbet første lag til en 3D-print, så hvis der er nogen problemer i stabiliteten af det første trykte lag på enhver skala, aktivering af en tømmerflåde struktur kan føre til mere vellykkede udskrifter på bekostning af det materiale, der er nødvendige for tømmerflåde struktur.
- Dubler modeller for at generere en række modeller efter behov ved at vælge indstillingen Dublerede modeller i menuen Rediger og indtaste antallet af modeldele i den resulterende dialogboks. Arranger modellen/modellerne nær midten af byggeplatformen ved at klikke på knappen Centrer og Arranger i panelet Modeller i hovedvinduet eller ved at vælge indstillingen Centrer og Arranger under rullemenuen Rediger. Models
BEMÆRK: Se figur 1 for et eksempel på seks C_atom_sp3 modeller trykt med polydisksyre (PLA). Det er sikrest at udskrive en enkelt del ad gangen, selvom det normalt er mere tidseffektivt at udskrive flere små dele af samme farve. Udskriftskvaliteten af dele i arrays er ofte lavere på grund af behovet for flere filament tilbagetrækning punkter mellem modeller. Arrayudskrifter af modeller har også en øget sandsynlighed for fejl, da en falden del under udskrivning kan forstyrre udskrivningen af andre dele.
Figur 1: Lignende atomer eller bindinger kan udskrives som matrixer. For at øge udskrivningseffektiviteten med en lille pris i kvalitet udskrives dele af samme farve let i matrixer. Her er seks PLA kulstofatomer trykt sammen, hver placeret på en lille tømmerflåde struktur med en skitseret randen struktur. Klik her for at se en større version af dette tal.
- Angiv de relevante indstillinger for modelbehandling for destinationsudskrifter ved hjælp af Tilføj eller Rediger procesindstillinger fra panelet Processer i hovedvinduet.
BEMÆRK: Den software, der bruges, har standardbehandlingsindstillinger, der kan vælges, for PLA, ABS og andre tilgængelige termoplastiske elementer, når du tilføjer en ny proces eller redigerer en proces ved henholdsvis at klikke på Tilføj eller Rediger procesindstillinger fra panelet Processer i hovedvinduet. Specifikke justeringer og rationale for de medfølgende molekylære modeldele følger.- Angiv modellens infill-værdi mellem 15 % og 25 %. Dette vil bruge mindre glødetråd og resultere i lettere dele, men den endelige samlede strukturer vil være stærk nok til at overleve fysisk manipulation.
- Brug 100 % infill-indstillinger for stikområderne I C-C_bond og H_atom-modeldele, hvis det er muligt eller efter behov for at øge holdbarheden af forbindelsesfaner.
- Vælg en udskriftslagtykkelse på 0,2 mm eller mindre for at bevare udskriftsdetaljer.
- Angiv den første laghastighed til en værdi mellem 25 og 50 % under fanen Lag under procesindstillingerne. En langsomt trykt første lag vil forbedre vedhæftning til print seng og vil resultere i mere vellykket samlede 3D-udskrifter.
- Indstil printerens ekstruder- og printerbundstemperaturer til de værdier, der anbefales for det valgte printerfilamentmateriale. De angivne temperaturer er udgangspunktet anbefalinger.
- For PLA skal du indstille Ekstruder = 215 °C; Seng = Ingen opvarmning.
- For polyethylenterephthalatglycol-modificeret (PETG) sæt Ekstruder = 235 °C, og Bed = 80 °C.
- For acrylonitril butadien styren (ABS) sæt Extruder = 245 °C og Bed = 110 °C.
- Brug C_atom_sp3 outline/perimeter shells med en "Outside-In"-dispositionsretning for at minimere udskriftsforvrængning nederst på kuglen. Disse indstillinger er tilgængelige under fanen Lag i vinduet Procesindstillinger. For alle andre dele anbefales "Inside-Out"-dispositionsretningen til en renere overfladefinish.
- Hvis du udfører en dobbelt ekstruder print af justeret H_atom_dual_bottom og H_atom_dual_top modeller, eventuelt tænde en oser skjold mulighed. Den slicer vil derefter generere en tynd væg geometri omkring den model, der vil fange enhver dryppende polymer fra den inaktive, men stadig varm, ekstruder spids.
- Skær modellen i udskriftslag for at generere en G-Code-værktøjssti. Klik på knappen Forbered at udskrive! i hovedvinduet, eller vælg indstillingen Forbered udskrivning under rullemenuen Rediger.
2. Klargøring af printeren til udskrivning af dele
- Coat overfladen af printeren seng med blå maler tape til uopvarmede senge. Coat overfladen af printeren seng med blå maler tape og et underlag af polyimid tape til opvarmede senge.
- Påfør et tyndt lag limpind på den blå malers tape. Limpindens polymer vil forbedre print vedhæftning til sengen overflade.
- Placer eller luk et ventileret kabinet over printersengen. Et kabinet minimerer luftstrømme, der kan forstyrre udskrivningen af glødning.
- For PLA skal du åbne alle ventilationsporte, da hurtig køling foretrækkes. Tænd en sengeventilator under udskrivning, hvis det er muligt.
- For PETG skal du åbne et begrænset antal ventilationsporte, da gradvis køling foretrækkes. En sengeventilator er unødvendig under udskrivning.
- For ABS skal du åbne et minimum af ventilationsporte, da meget gradvis køling foretrækkes. Sluk for sengeventilatorer under udskrivning.
- Når printeren er forberedt, skal du klikke på knappen "Begynd udskrivning via USB" for at sende G-koden til den tilsluttede printer og starte udskrivningsprocessen.
3. Efterbehandling og samling af modelkonstruktioner
- Tag dele af printersengen. I tilfælde af opvarmet seng udskrifter, fjerne dele efter sengen er afkølet for at undgå at fordreje modellen under adskillelse.
- Fjern tømmerflåde eller randen strukturer fra bunden af dele, hvis de anvendes. Gnid bunden af modellen del med medium til fine grus sandpapir til at fjerne eventuelle resterende vedlagte tømmerflåde filamenter.
- Sand bunden af C_atom_sp3 model dele med medium (120 grus) til meget fint (320 grus) sandpapir til at fjerne overfladefejl. Glat overfladen med den meget fine grus sandpapir. Poler overfladen til den ønskede finish med en polerklud eller bufferhjul ved lav omdrejning pr. minut indstilling.
BEMÆRK: For eksempel kan et Dremel-værktøj med et bufferhjul med en diameter på 0,5" sat til 10.000 omdr./min. bruges til polering, idet man skal passe på ikke at opvarme udskriften for meget og forårsage overfladefejl.- PLA: Udskrifter har typisk en let blank finish efter udskrivning som vist i panelerne i figur 2. Denne finish er skæmmet af grov slibning, men den blanke finish kan gendannes med polering.
- PETG: Udskrifter har typisk en let blank finish, der kan slibes og gendannes med polering som med PLA.
- ABS: Udskrifter har typisk en mat eller kun marginalt blank finish efter udskrivning (Figur 3A). En højglans finish (Figur 3B) kan opnås ved separat dyppe delene i et acetonebad for 1\u20122 s og placere dem i et ventileret område, indtil acetone er fordampet, og overfladen er størknet inden for typisk 12\u201224 h.
FORSIGTIG: Acetone er brandfarligt og bør påføres sparsomt i en røghætte eller meget godt ventileret område. ABS opløses i acetone, så dele med lagadskillelsesdefekter på grund af dårlig udglødning bør ikke behandles med flydende acetone. Acetone vil indtaste modeller gennem sådanne fejl og opløse modellen infill (Figur 3C). Polering med acetone damp er en langsommere proces, der vil resultere i en lignende effekt, selv om sikkerhedsforanstaltninger bør træffes i betragtning af brændbarheden af acetone.
Figur 2: Dobbelte ekstruderudskrifter kan være mere visuelt raffinerede. (A) Dual ekstruder model hydrogenatom udskrifter er visuelt mere sammenhængende end (B) alle hvide model hydrogenatom prints. (C) Når de er forbundet til at danne komplette cyclohexanringe, er de samlede PLA-modeller funktionelt identiske. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: ABS-modeller kan behandles kemisk for en blank finish. (A) ABS model udskrifter tendens til at have en mere diffus eller mat udseende, men (B) efter kemisk behandling af dele med en kort dukkert i acetone de får en høj glans finish. (C) Hvis acetone kommer ind i det indre af print gennem lag separation defekter, acetone vil opløse modellen indefra og ud, får det til at kollapse. Klik her for at se en større version af dette tal.
- Indsæt stikender af C-C_bond og H_atom modeldele i stikkontakter C_atom_sp3 modeldele i henhold til den ønskede bindingstopologi. Klem modeldele sammen, indtil der høres et hørbart klik. Når den enkelte binding er tilsluttet, skal den rotere frit om denne forbindelse uden at falde fra hinanden.
BEMÆRK: Tilslutningsstælen er stram, så det kan kræve betydelig kraft for modeller med skalering på over 100 %. De medfølgende dele er ikke beregnet til at blive adskilt efter tilslutning af dem sammen, men de kan adskilles med en meget betydelig påført kraft. Rotation om en tilsluttet obligation er en ønsket funktion til de medfølgende dele og modeller. Låsningsrotation kræver en atommodel (f.eks. et sp2-hybridiseret kul) med en fast struktur i forbindelsesstikket, der indsættes mellem afstandene på fanerne i slutningen af bindingsmodellen. - Saml alle trykte dele i henhold til den ønskede molekylære struktur. Mætte alle C_atom_sp3 modeldele ved at fylde en åben socket med H_atom en modeldel. For en ring som cyclohexan lukkes ringen med en C-C_bond modeldel mellem C_atom_sp3 modeldele.
Representative Results
Protokollen dækker en række potentielle muligheder for interaktiv molekylær model konstruktion. Som et grundlæggende og samlende eksempel for en molekylær samling ved hjælp af disse modeldele, har vi valgt at samle interaktive cyclohexanstrukturer i forskellige skalaer. Figur 2 viser de dele, der er nødvendige for denne struktur: seks C-atomer, seks C-C-bindinger og tolv H-atomer. Disse specifikke udskrifter blev udformet ved hjælp af begge printere, der er anført i tabellen over materialer. Den dyrere dobbelt ekstruderprinter gør det muligt at fremstille komponenter med to farver. her de to-farvede hydrogenatom strukturer med farveændring på midtpunktet af obligationen (Figur 2A). De en-farvede brinter i figur 2B print i omkring 50 \ u201260% mindre tid på grund af manglen på en oser skjold struktur og mangel på polymer tilbagetrækninger i at skifte mellem aktive ekstrudere. De samlede cyclohexanstrukturer (Figur 2C) er funktionelt ækvivalente, selvom de dobbelte ekstruderprint har tendens til at se moderat mere raffinerede ud.
PLA modellerne i figur 2 har rimelig flot finish, der er mere raffineret end ABS-modeller lige fra printeren (Figur 3A). Kemisk behandling af ABS-modeller med acetone giver en glat og højglans finish, der næsten giver overfladen et vådt udseende (Figur 3B). En sådan efterbehandling kan være generende, især hvis ABS-modeller ikke er udglødet godt. Store modeller trykt med ABS er tilbøjelige til lag separation defekter. Lagseparationsfejl opstår, når det foregående lag afkøles, før ekstruderen kan krydse over for at lægge det næste lag. Det er af afgørende betydning for store ABS-udskrifter, at miljøet omkring printerens varmeseng forbliver på en jævn og varm temperatur for at sænke kølehastigheden. Hvis et print med en lagdefekt er nedsænket i acetone, vil acetone indtaste modellen og opløse den indvendige støttestruktur. Dette vil skjule modellen indefra som vist i figur 3C.
Et visuelt adskilt udseende er sekundært i forhold til modelstrukturernes funktionalitet. Stikkene er designet til at muliggøre fri rotation omkring enkelte bindinger. For at teste deres anvendelighed i forskellige systemer blev der trykt fire forskellige sæt delstørrelser, hvor kulstofatomdiameteren løb fra 17,5 mm, 35 mm, 70 mm og 112 mm. De samlede cyclohexanstrukturer (figur 4) var alle i stand til at bøje, forvrænge og anvende relevante konforme på samme måde. Den mindste af disse modeller var den mest tilbøjelige til at udskrive fejl, hvilket gør denne størrelse potentielt for lille og ikke anbefales uden tweaking den relative størrelse af delene. En af de primære fordele ved de mindre udskrifter er udskrivningshastigheden. En vifte af seks af de mindste kulstofatomer trykt i omkring 2 timer, sammenlignet med de 10 timer, der kræves for et enkelt kulstofatom af den største størrelse. Mens langsom til at udskrive, store modeller er potentielt mere effektive til kommunikation i foredrag indstillinger, hvor det ville være vanskeligt at se bevægelse af en lille struktur på afstand.
Figur 4: Modellerne er funktionelle i forskellige skalaer. For at illustrere, hvordan modellerne kan udskrives til forskellige formål, blev cyclohexanmodeller samlet i fire forskellige skalaer og bevarede alle den samme funktionalitet. De største kulstofatomer er større end en softball (112 mm diameter), mens den samlede cyclohexan af de mindste kunne passe ind i en softball. Klik her for at se en større version af dette tal.
Det dynamiske aspekt er en af de vigtigste egenskaber, der adskiller disse strukturer fra andre printbare molekylære modeller. Da atomerne let kan rotere i forhold til hinanden, kan strukturerne forvrænges for at snappe ind i de forskellige repræsentative konforme af cyclohexan. Figur 5 viser stolen, båden og overgangstilstandsstrukturen for interkonvertering mellem deres respektive konfigurationsrum. Denne overgang tilstand punkt har fire mærket kulstofatomer i en næsten planar geometri24,28, den samme overgang tilstand struktur, som man opnår gør B3LYP/6-311 +G (2d,p) beregninger29. Efter den samme overgang tilstand imaginære frekvens bevægelse, lidt vride 2 op og 3 ned vil snap modellen ind i båden conformer landskab, mens lidt vride 2 ned og 3 op vil vende tilbage strukturen til stolen conformer.
Figur 5: Konstører af cyclohexan er fuldt tilgængelige. Da atomerne kan rotere om deres bindinger, kan modellerne vedtage den sterically låst stol og mere konformt fri båd former. Overgangen tilstand mellem disse former indebærer fire næsten coplanar kulstofatomer i ringen. Let vridning 2 op med 3 ned vil glide modellen til båden conformer, mens vride 2 ned med 3 op vil returnere modellen til stolen conformer. Klik her for at se en større version af dette tal.
Statens punkt fri energi skøn (Supplerende tabel S1) fra B3LYP/6-311+G(2d,p) beregninger af optimerede tilstand punkter (Supplerende Filer S6 \u2012S9) giver et hul mellem twist-båd og båd konformerer på 0,8 kcal / mol, som er meget tæt på termisk energi på 298,15 K. Dette tyder på, at konverteringen mellem disse bør stikprøve næsten frit. Afstanden mellem stolen konforme og interkonvertering overgang tilstand er mere end ti gange denne værdi, hvilket indikerer, at stolen skal være konformt låst i sammenligning. Dette er illustreret i figur 6, som viser anslået gennemsnitlig konforme energi , når hver kulstofatom placering relativ ringen flyet er latitudinally projiceret på en kugle i løbet af en gasfase molekylær dynamikberegning 30,31. I stolen conformer til venstre, energien er lav, når kulstofatomer er forskudt over eller under ringen flyet, men det ramper op dramatisk, hvis de fortrænger at tilpasse sig ringen flyet. I båden conformer, konforme energi er relativt lav, når kulstof er i ringen flyet (twist-båd tilstand), og de mere højt fordrevne båd conformer er ikke på en drastisk højere energi. Disse konfiguration landskaber kan udforskes med 3D trykte cyclohexan modeller, med stolen conformer kun være i stand til lokalt vibrere, mens båden konforme kan gnidningsløst undulate fra det ene par modsatte kulstofatomer til den næste.
Figur 6: Modelfunktionsmåde matcher beregninger. I stolen og båden conformer stater, latitudinal forskydning af kulstofatomer om ringen flyet i løbet af en Molecular Dynamics beregning kan projiceres op på overfladen af en omsluttende kugle. Mens stolen form er mest energisk stabil, er det låst og kan kun interconvertere til den omvendte form ved at passere gennem en høj energi overgang tilstand. Både beregninger og den trykte modelfleksibilitet indikerer, at båden og twist-boat konens er adskilt af tæt på 1 kBT ved 298,15 K, hvilket giver mulighed for næsten fri latitudinal forskydning af kulstofatomer i denne form. Klik her for at se en større version af dette tal.
Supplerende tabel S1: Skøn over fri energi uden stat. Klik her for at downloade denne tabel.
Supplerende fil 1. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende fil 2. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende fil 3. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende fil 4. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende fil 5. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende fil 6. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende fil 7. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende fil 8. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende fil 9. Klik her for at downloade denne fil.
Discussion
Det primære formål med denne undersøgelse er at rapportere en protokol for crafting af dynamiske molekylære modeller med råvare 3D-printere. Disse printere er i stigende grad tilgængelige, ofte endda gratis at bruge på biblioteker, skoler og andre steder. Kom godt i gang indebærer at træffe valg om både modeller til at udskrive og de materialer til at bruge og beslutte fra disse muligheder kan kræve en vis inspiration om, hvad kreative additiv fremstilling kan gøre for forskning og instruktion. For at løse disse problemer giver vi nogle praktiske materialeanbefalinger, foreslåede modeldele, en 3D-printprotokol og et eksempel på anvendelse, som hver især fortjener yderligere diskussion.
Der er mange valg af termoplast til brug i 3D-print. Vi fremhæver tre i den præsenterede protokol, da disse tre materialer i øjeblikket er de mest udbredte til gør-det-selv 3D-print. Valget kan afhænge af, hvilket materiale der understøttes af en tilgængelig 3D-printer, for eksempel mange åbne adgangsfaciliteter vil kun udskrive med PLA på grund af miljømæssige begrænsninger. PLA er et biologisk nedbrydeligt og komposterbart materiale, der har en udskrivningsprotokol med milde temperaturindstillinger. Både ABS og PETG er mindre miljøvenlige og kan generelt ikke genbruges, selv om PETG er baseret på meget genanvendeligt polyethylenterephthalat (PET) og i sidste ende kan se en bredere oparbejdning som PET. Bæredygtig trykning praksis ville indebære udskrivning få dele ad gangen for at sikre både udskriftskvalitet og print succes, dette samtidig med at bruge så lidt kasseret materiale (støtte strukturer, flåder, oser skjolde, osv.) som muligt. PLA kan være skør, så hvis de er tilgængelige, ABS og PETG termoplast kan resultere i udskrifter, der er mere mekanisk modstandsdygtige og har forbedret lag vedhæftning, henholdsvis. Disse egenskaber kunne være ønskeligt for en interaktiv molekylær model, der vil se regelmæssig manipulation i et laboratorium eller klasseværelse indstilling.
De modeller, der præsenteres her tage hensyn til disse overvejelser, selv om de først er konstrueret til at arbejde sammen om at muliggøre dynamisk molekylær model konstruktion. På standardskalaen samles de med succes i interaktive molekylære strukturer. De kan let skaleres op til store modeller, selvom samling vil kræve mere kraft, da tilslutningsstrænene er mindre nemme at forvrænge ved større størrelse. I faldende komponenter, en 50% reduktion i størrelse vil stadig arbejde med mindre ændringer, såsom faldende kulstofatom model til 48 \ u201249% og samtidig holde obligation og brint atom på 50% for at muliggøre strammere forbindelser mellem dele i PLA prints. Modeller denne lille er mere delikat og kræver ofte tømmerflåde strukturer til succes udskrive, men de er stadig funktionelle som dynamiske molekylære modeller.
Det termoplastiske materiale og udvalgte modeller til udskrivning er de to mest kritiske aspekter af en 3D-printprotokol. Den valgte termoplast vil diktere temperatur, vedhæftning, glødning, og efterbehandling overvejelser og muligheder. Hvis den tilgængelige 3D-printer ikke har en opvarmet seng, er PLA den eneste af de præsenterede termoplastiske valg, der vil udskrive dele reproducerbare. Mens de medfølgende dele er designet til reproducerbart print med forskellige termoplast og holde op til dynamisk manipulation, udskrifter vil nedbrydes med brug og knæk, ofte mellem print lag, når de placeres under stigende stress. I sådanne situationer er det nemt og relativt omkostningseffektivt at udskrive en erstatningsdel.
Den dynamiske funktionalitet af molekylære samlinger, der udskrives fra de medfølgende modeller, adskiller dette arbejde fra andre tilgængelige modeller og 3D-printbare modeller, der primært fremhæver forbindelses- og bindingstyper. De dynamiske aspekter præsenteres i en lille del med eksemplet cyclohexan struktur. Konfigurationslandskabet af cyclohexan er direkte tilgængeligt i hånden ved hjælp af disse modeller, og topologierne i disse landskaber er generelt enige i beregningsmæssige undersøgelser. Meget af dette kommer fra en respekt for detaljerne i molekylær geometri og frihedsgrader i disse fysiske modellering komponenter. I Linus Paulings kommentar til deres succes med at opdage strukturen i α-helix1hævdede de, at deres samtidige havde problemer med at komme fra idealistiske integrerede antagelser og vedtog "... kun en grov tilnærmelse til kravene om interatomare afstande, bindingsvinkler og planaritet i den konjugerede amidgruppe, som det gives ved vores undersøgelser af enklere stoffer." Mere kvantitativ indsigt i denne retning kræver mere specifikke detaljer end de overvejelser, der tages i opbygningen af disse modeldele, men disse modeller og anbefalinger giver et grundlag for generel interaktiv fysisk undersøgelse af molekylære systemer. Disse modeller er en udvidelse af 3D printbare modelkits vi har produceret til forskning og opsøgende aktiviteter i flere år forud for denne rapport, og yderligere komponenter, der er kompatible med både disse modeller og den beskrevne protokol er tilgængelige fra forfatterne til at muliggøre mere forskelligartede bonding arrangementer og dynamisk handling.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af National Science Foundation (NSF) under Tilskud nr. CHE-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. |
References
- 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).
- Claussen, W. F. Suggested Structures of Water in Inert Gas Hydrates. The Journal of Chemical Physics. 19 (2), 259-260 (1951).
- Claussen, W. F. A Second Water Structure for Inert Gas Hydrates. The Journal of Chemical Physics. 19 (11), 1425-1426 (1951).
- Watson, J. D., Crick, F. H. C. Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature. 171 (4356), 737-738 (1953).
- Watson, J. D. The double helix: a personal account of the discovery of the structure of DNA. , Weidenfeld and Nicolson. (1981).
- Cademartiri, R., et al. A simple two-dimensional model system to study electrostatic-self-assembly. Soft Matter. 8 (38), 9771-9791 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Paukstelis, P. J. MolPrint3D: Enhanced 3D Printing of Ball-and-Stick Molecular Models. Journal of Chemical Education. 95 (1), 169-172 (2018).
- 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).
- 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).
- Au - Da Veiga Beltrame, E., et al. 3D Printing of Biomolecular Models for Research and Pedagogy. JoVE. (121), e55427 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Satoh, H., Manabe, S. Design of chemical glycosyl donors: does changing ring conformation influence selectivity/reactivity. Chemical Society Reviews. 42 (10), 4297-4309 (2013).
- 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).
- Gaussian 09 v.Revision C.01. , Gaussian, Inc. Wallingford CT. (2010).
- Abraham, M. J., et al. GROMACS: High performance molecular simulations through multi-level parallelism from laptops to supercomputers. SoftwareX. 1-2, 19-25 (2015).
- 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).
