Summary
Fysisk modellering av mikroskopiske systemer bidrar til å få innsikt som er vanskelig å få på andre måter. For å lette byggingen av fysiske molekylære modeller demonstrerer vi hvordan 3D-utskrift kan brukes til å montere funksjonelle makroskopiske modeller som fanger opp kvalitetene til molekylære systemer på en taktil måte.
Abstract
Med veksten i tilgjengeligheten av 3D-utskrift, har det vært en økende anvendelse av og interesse for additiv produksjonsprosesser i kjemiske laboratorier og kjemisk utdanning. Basert på den lange og vellykkede historien om fysisk modellering av molekylære systemer, presenterer vi utvalgte modeller sammen med en protokoll for å lette 3D-utskrift av molekylære strukturer som er i stand til å gjøre mer enn å representere form og tilkobling. Modeller montert som beskrevet innlemme dynamiske aspekter og frihetsgrader i mettede hydrokarbonstrukturer. Som et representativt eksempel ble cykloheksan satt sammen fra deler trykt og ferdig med forskjellige termoplast, og de resulterende modellene beholder funksjonaliteten på en rekke skalaer. De resulterende strukturene viser konfigurasjonsplasstilgjengelighet i samsvar med beregninger og litteratur, og versjoner av disse strukturene kan brukes som hjelpemidler for å illustrere begreper som er vanskelige å formidle på andre måter. Denne øvelsen gjør det mulig for oss å evaluere vellykkede utskriftsprotokoller, gi praktiske anbefalinger for montering og skissere designprinsipper for fysisk modellering av molekylære systemer. De leverte strukturene, prosedyrene og resultatene gir grunnlag for individuell produksjon og utforskning av molekylær struktur og dynamikk med 3D-utskrift.
Introduction
Molekylær strukturbygging har lenge vært et kritisk aspekt for oppdagelse og validering av vår forståelse av formen på og interaksjoner mellom molekyler. Fysisk modell bygningen var et motiverende aspekt i fastsettelse av α-helix struktur i proteiner av Pauling et al.1, den primære clathrate hydrat strukturer av vann2,3, og dobbel-helix strukturen av DNA av Watson og Crick4. I James Watsons publiserte beretning om DNA-strukturen beskriver han mange av kampene som står overfor i en slik modellbygning, for eksempel å pakke en kobbertråd rundt modellkarbonatomer for å lage fosforatomer, prekært delikate suspensjoner av atomer, og lage papputskjæringer av baser mens de venter på tinnutskjæringer fra maskinbutikken5. Slike kamper i modellbygging har i stor grad blitt utbedret med beregningsmodellering for å øke eller fullstendig erstatte fysiske tilnærminger, selv om fysiske modeller fortsatt er et viktig aspekt i kjemisk utdanning og eksperimentering6,7,8,9.
Siden rundt 2010 har 3D-utskrift sett en betydelig vekst i adopsjon som et verktøy for kreativ design og produksjon. Denne veksten har vært drevet av konkurranse og tilgjengelighet av en rekke Fused-Deposition Modeling (FDM) skrivere fra en rekke nye selskaper fokusert på bred kommersialisering av teknologien. Med den økende tilgjengeligheten har det vært en samtidig vekst i anvendelsen av disse teknologiene i kjemiutdanning og eksperimentelle laboratorieinnstillinger10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21. I løpet av denne perioden har både kommersielle og åpne samfunnsrepositorier for 3D-modeller, for eksempel NIH 3D Print Exchange22,gjort modellsystemer for 3D-utskrift mer tilgjengelig, selv om mange av disse modellene har en tendens til å være sentrert på spesifikke målmolekyler og gi enkle statiske strukturer med vekt på bindingstilkobling og type. Mer generelle atom- og molekylære grupper kan muliggjøre mer kreative konstruksjoner12,,23,og det er behov for modeller som kan muliggjøre generell strukturskaping med taktile, dynamiske og tvinge sensitiv tilbakemelding for molekylære strukturer.
Her presenterer vi molekylære modellstrukturkomponenter som lett kan skrives ut og monteres for å danne dynamiske molekylære modeller av mettede hydrokarboner. Komponentstrukturene er en del av et bredere sett vi har utviklet for utvidelses- og oppsøkende aktiviteter for vårt laboratorium og universitet. De leverte delene er konstruert for å kunne skrives ut med en rekke polymerfilamenttyper på råvare-FDM 3D-skrivere. Vi presenterer modellresultater ved hjelp av forskjellige polymerer og etterbehandling teknikker fra både enkelt og dobbel ekstruder FDM skrivere. Disse komponentene er skalerbare, noe som gjør det mulig for modellproduksjon egnet for både personlig undersøkelse og demonstrasjon i større forelesningsmiljøer.
Hovedmålet med denne rapporten er å hjelpe andre forskere og lærere med å oversette detaljer om kjemisk struktur og kunnskap på mer fysiske måter med 3D-utskrift. For dette formål fremhever vi et eksempelprogram ved å montere og manipulere cykloheksan på forskjellige skalaer. Seks-medlem ring system konformasjoner er et kjernetema i innledende Organisk kjemi kurs24, og disse conformers er en faktor i reaktivitet av ring og sukker strukturer25,26,27. De trykte modellene tar fleksibelt i bruk nøkkelringsamlerne24, og kraften som trengs for ringinterkonverteringsveier, kan utforskes direkte og kvalitativt evalueres for hånd.
Protocol
1. Klargjøring av modellfiler for 3D-utskrift
MERK: Det store antallet 3D-skrivere og gratis og kommersiell utskriftsprogramvare gjør nøyaktige retninger utover omfanget av denne artikkelen. Generell protokollprosess og anbefalinger er gitt her, med spesifikke hensyn gitt for representative modeller som vises med den oppførte programvaren og 3D-skrivere (se Tabell over materialer). Dedikerte produsentretninger som er spesifikke for en lesers skriver og slicing programvare kombinasjon har forrang over de oppgitte anbefalingene.
- Last ned de supplerende stereolitografifiler (.stl) som er knyttet til denne artikkelen (Supplerende filer S1\u2012S5). Last opp disse filene til datamaskinen med slicerprogrammet.
- Importer en av filene C_atom_sp3, H_atom eller C-C_bond til slicerprogrammet. Bruk millimeterformat for enhetene hvis et alternativ er tilgjengelig. I programvaren klikker du enten på Importer-knappen i Modeller-panelet i hovedvinduet, eller velger kommandoen Importer modeller under Fil-rullegardinmenyen. File Velg riktig modellfil fra den resulterende filleseren.
- Importer både H_atom_dual_bottom og H_atom_dual_top filer for doble ekstruderutskrifter av hydrogenatomet. Juster, grupper og tilordne komponentmodellene til den aktuelle ekstruderen basert på målfilamentfargen.
- Skaler den importerte modellen til ønsket størrelse. For dette dobbeltklikker du enten den grafiske modellen i hovedskjermen eller den oppførte modellen i Modeller-panelet i hovedvinduet. Denne handlingen åpner et modellredigeringspanel som muliggjør oversettelse, rotasjon og skalering av målmodellen. Representative modeller presenteres for 50%, 100%, 200%, og 320% skala for alle sammenkoblede deler.
- Aktiver støttestrukturer for C_atom_sp3-modeller med skalaer som er større enn 100 %. Støttestrukturer kan brukes, men er vanligvis ikke nødvendig for alle andre modeller.
- Aktiver en flåte eller brem struktur for 100% og mindre skala modeller. Slike strukturer bør ikke være nødvendig for de fleste større modeller som den flate basen vil ha tilstrekkelig kontakt med sengeflaten for å forbli fast på plass. Flåter bidrar til å gi et godt festet første lag for en 3D-utskrift, så hvis det er noen problemer med stabiliteten til det første trykte laget i alle skalaer, kan aktivering av en flåtestruktur føre til mer vellykkede utskrifter på bekostning av materialet som trengs for flåtestrukturen.
- Dupliser modeller for å generere en rekke modeller etter ønske ved å velge alternativet Dupliser modeller fra Rediger-menyen og skrive inn antall modelldeler i den resulterende dialogboksen. Ordne modellen(e) nær midten av byggeplattformen ved å klikke på Knappen Midtstill og Ordne i Modeller-panelet i hovedvinduet, eller ved å velge alternativet Midtstill og Ordne under Rediger rullegardinmenyen.
MERK: Se figur 1 for eksempel arrangement av seks C_atom_sp3 modeller trykt med polylaktisk syre (PLA). Det er tryggest å skrive ut en enkelt del om gangen, selv om utskrift av flere små deler av samme farge vanligvis er mer tidseffektiv. Utskriftskvaliteten på deler i arrays er ofte lavere på grunn av behovet for mer filament tilbaketrekking poeng mellom modeller. Array utskrifter av modeller har også en økt sannsynlighet for svikt som en fallen del under utskrift kan forstyrre utskrift av andre deler.
Figur 1: Like-fargede atomer eller bindinger kan skrives ut som matriser. For å øke utskriftseffektiviteten til en liten pris i kvalitet, skrives deler av lignende farge lett ut i arrayer. Her er seks PLA karbonatomer trykt sammen, hver plassert på en liten flåtestruktur med en skisserende bremstruktur. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- Angi de riktige innstillingene for modellbehandling for målutskrifter ved hjelp av Innstillinger for legg til eller rediger prosess fra Prosesser-panelet i hovedvinduet.
MERK: Programvaren som brukes har valgbare standard behandlingsinnstillinger for PLA, ABS og andre tilgjengelige termoplaster når du legger til en ny prosess eller redigerer en prosess ved å klikke på Legg til eller Rediger prosessinnstillinger fra Prosesser-panelet i hovedvinduet. Spesifikke justeringer og begrunnelse for de medfølgende molekylære modelldelene følger etter.- Angi modellfyllingsverdien mellom 15 % og 25 %. Dette vil bruke mindre filament og resultere i lettere deler, men de endelige monterte strukturer vil være sterk nok til å overleve fysisk manipulasjon.
- Bruk 100 % innfyllingsinnstillinger for koblingsområdene til C-C_bond og H_atom modelldeler hvis det er mulig eller etter behov for å øke holdbarheten til koblingsfanene.
- Velg en utskriftslagtykkelse på 0,2 mm eller mindre for å opprettholde utskriftsdetaljene.
- Sett første laghastighet til en verdi mellom 25 og 50 % i lagfanen i prosessinnstillingene. Et sakte trykt første lag vil forbedre vedheft til utskriftssengen og vil resultere i mer vellykkede totale 3D-utskrifter.
- Sett skriveren ekstruder og skriversengtemperaturer til verdier som anbefales for det valgte skriverfilamentmaterialet. De oppgitte temperaturene er utgangspunktanbefalinger.
- For PLA, sett Extruder = 215 °C; Seng = Ingen oppvarming.
- For polyetylen terephthalate glykol-modifisert (PETG) sett Ekstruder = 235 °C, og Seng = 80 °C.
- For akrylnitril butadien styren (ABS) sett Extruder = 245 °C og Seng = 110 °C.
- For C_atom_sp3 modelldeler bruker du to omriss-/perimeterskall med en disposisjonsretning utenfor in for å minimere utskriftsforvrengning nederst på kulen. Disse alternativene er tilgjengelige fra Lag-fanen i vinduet Prosessinnstillinger. For alle andre deler anbefales "Inside-Out" disposisjonsretning for en renere overflatefinish.
- Hvis du utfører en dobbel ekstruderutskrift av de justerte H_atom_dual_bottom- og H_atom_dual_top-modellene, må du eventuelt slå på et oseskjoldalternativ. Sliceren vil da generere en tynn vegggeometri rundt modellen som vil fange noen dryppende polymer fra den inaktive, men likevel varme, ekstruder spissen.
- Skjær modellen i utskriftslag for å generere en G-Code toolpath. Klikk på Klargjør for utskrift!-knappen i hovedvinduet, eller velg alternativet Klargjør for utskrift under Rediger rullegardinmenyen.
2. Klargjøring av skriveren for utskrift av deler
- Coat overflaten av skriversengen med blå malerens tape for uoppvarmede senger. Coat overflaten av skriversengen med blå malerens tape og et underlag av polyimid tape for oppvarmede senger.
- Påfør et tynt lag lim pinne til den blå malerens tape. Lim pinne polymer vil forbedre print vedheft til sengeflaten.
- Plasser eller lukk et ventilert kabinett over skriversengen. Et kabinett minimerer luftstrømmer som kan forstyrre trykkavlesning.
- For PLA, åpne alle ventilasjonsporter som rask kjøling foretrekkes. Slå på en sengevifte under utskrift hvis mulig.
- For PETG, åpne et begrenset antall ventilasjonsporter som gradvis kjøling foretrekkes. En sengevifte er unødvendig under utskrift.
- For ABS, åpne et minimum antall ventilasjonsporter som svært gradvis kjøling foretrekkes. Slå av sengeviftene under utskrift.
- Når skriveren er klargjort, klikker du på "Begynn å skrive ut via USB"-knappen for å sende G-koden til den tilkoblede skriveren og starte utskriftsprosessen.
3. Etterbehandling og montering av modellstrukturer
- Fjern deler fra skriversengen. Ved oppvarmede sengeutskrifter fjerner du delene etter at sengen er avkjølt for å unngå å forvrenge modellen under separasjon.
- Fjern flåte- eller bremstrukturer fra bunnen av deler hvis det brukes. Gni bunnen av modelldelen med middels til fint grus sandpapir for å fjerne eventuelle gjenværende vedlagte flåtefilamenter.
- Sand bunnen av C_atom_sp3 modelldeler med medium (120 grus) til veldig fint (320 grus) sandpapir for å fjerne overflatedefekter. Glatt overflaten med det veldig fine kornsandpapiret. Poler overflaten til ønsket finish med en poleringsklut eller bufferhjul ved lav omdreining per minuttinnstilling.
MERK: Et Dremel-verktøy med et bufferhjul med 0,5 tommer diameter satt til 10 000 o/min kan brukes til polering, og pass på at du ikke altfor varmet opp utskriften og forårsaker overflatedefekter.- PLA: Utskrifter har vanligvis en litt blank finish etter utskrift som vist i panelene på figur 2. Denne finishen er preget av grov sliping, men den blanke finishen kan gjenopprettes med polering.
- PETG: Utskrifter har vanligvis en litt blank finish som kan slipes og gjenopprettes med polering som med PLA.
- ABS: Utskrifter har vanligvis en matt eller bare marginalt glanset finish etter utskrift (Figur 3A). En høyglanset finish (Figur 3B) kan oppnås ved å dyppe delene separat i et acetonbad i 1\u20122 s og plassere dem i et ventilert område til acetonen har fordampet og overflaten har stivnet innenfor typisk 12\u201224 h.
FORSIKTIG: Aceton er brannfarlig og bør påføres sparsomt i en røykhette eller svært godt ventilert område. ABS oppløses i aceton, så deler med lagseparasjonsfeil på grunn av dårlig annealing bør ikke behandles med flytende aceton. Aceton vil gå inn i modeller gjennom slike defekter og oppløse modellfyllingen (Figur 3C). Polering med acetondamp er en langsommere prosess som vil resultere i en lignende effekt, selv om sikkerhetsforanstaltninger bør tas gitt brennbarheten av aceton.
Figur 2: Doble ekstruderutskrifter kan bli mer visuelt raffinert. (A) Dual ekstruder modell hydrogen atom utskrifter er visuelt mer sammenhengende enn (B) alle hvite modellen hydrogen atom utskrifter. (C) Når de er koblet sammen for å danne komplette cykloheksanringer, er de monterte PLA-modellene funksjonelt identiske. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: ABS-modeller kan behandles kjemisk for en blank finish. (A)ABS-modellutskrifter har en tendens til å ha et mer diffust eller matt utseende, men (B) etter kjemisk behandling av delene med en kort dukkert i aceton får de en høyglanset finish. (C) Hvis aceton kommer inn i det indre av utskriften gjennom lagseparasjonsfeil, vil acetonen oppløse modellen fra innsiden og ut, noe som får den til å kollapse. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
- Sett kontaktendene på C-C_bond og H_atom modelldeler inn i stikkontakter på C_atom_sp3 modelldeler i henhold til ønsket bindingstopologi. Klem modelldelene sammen til et hørbart klikk høres. Når den er tilkoblet, bør enkeltbindingen fritt rotere om denne tilkoblingen uten å falle fra hverandre.
MERK: Tilkoblingsskikketet er stramt, så dette kan kreve betydelig kraft for modeller med skalering som er større enn 100 %. De medfølgende delene er ikke ment å skilles etter å ha koblet dem sammen, men de kan skilles med en svært betydelig anvendt kraft. Rotasjon om en tilkoblet binding er en ønsket funksjon for de medfølgende delene og modellene. Låserotasjon krever en atommodell (for eksempel et sp2 hybridisert karbon) med en fast struktur i tilkoblingskontakten som setter inn mellom avstandene til fanene på slutten av obligasjonsmodellen. - Monter alle trykte deler i henhold til ønsket molekylær struktur. Mem alle C_atom_sp3 modelldeler ved å fylle en åpen stikkontakt med en H_atom modelldel. For en ring som cyclohexane, lukk ringen med en C-C_bond modelldel mellom C_atom_sp3 modelldeler.
Representative Results
Protokollen som tilbys dekker en rekke potensielle alternativer for interaktiv molekylær modell konstruksjon. Som et grunnleggende og samlende eksempel for en molekylær montering ved hjelp av disse modelldelene, har vi valgt å montere interaktive cykloheksanstrukturer på en rekke skalaer. Figur 2 viser de delene som er nødvendige for denne strukturen: seks C-atomer, seks C-C-bindinger og tolv H-atomer. Disse spesifikke utskriftene ble laget ved hjelp av begge skriverne som er oppført i tabellen over materialer. Den mer kostbare doble ekstruderskriveren gjør det mulig å produsere to fargekomponenter. her de to-farget hydrogen atom strukturer med fargen endres på midten av bindingen (Figur 2A). De monofargede hydrogenene i figur 2B-utskrift i ca. 50\u201260% mindre tid på grunn av mangel på en ose skjoldstruktur og mangel på polymertrekk ved å bytte mellom aktive ekstrudere. De monterte cykloheksanstrukturene (figur 2C) er funksjonelt like, selv om de doble ekstruderutskriftene har en tendens til å se moderat mer raffinert ut.
PLA-modellene i figur 2 har rimelig fin finish som er mer raffinert enn ABS-modeller rett utenfor skriveren (Figur 3A). Kjemisk behandling av ABS-modeller med aceton gir en jevn og høyglanset overflate som nesten gir overflaten et vått utseende (Figur 3B). Slike etterbehandling kan være plagsom, spesielt hvis ABS-modeller ikke er glødet godt. Store modeller trykt med ABS er utsatt for lagseparasjonsfeil. Lagseparasjonsfeil skjer når det forrige laget avkjøles før ekstruderen kan krysse over for å legge ned neste lag. Det er kritisk viktig for store ABS-utskrifter at miljøet rundt oppvarmingssengen på skriveren forblir på en jevn og varm temperatur for å bremse kjølehastigheten. Hvis en utskrift med en lagdefekt er nedsenket i aceton, vil acetonen gå inn i modellen og oppløse den indre støttestrukturen. Dette vil skjule modellen fra innsiden som vist i figur 3C.
Et visuelt distinkt utseende er sekundært til funksjonaliteten til modellstrukturene. Kontaktene ble designet for å muliggjøre fri rotasjon om enkeltbindinger. For å teste sitt verktøy i forskjellige systemer ble fire forskjellige sett med delstørrelser skrevet ut, med karbonatomdiameteren som går fra 17,5 mm, 35 mm, 70 mm og 112 mm. De monterte cykloheksanstrukturene (figur 4) var alle i stand til å bøye, forvrenge og vedta relevante konformører på samme måte. Den minste av disse modellene var mest utsatt for å skrive ut feil, noe som gjør denne størrelsen potensielt for liten og ikke anbefalt uten å justere den relative størrelsen på delene. En av de viktigste fordelene for de mindre utskriftene er utskriftshastigheten. En rekke seks av de minste karbonatomer trykt i rundt 2 timer, sammenlignet med 10 h kreves for en enkelt karbon atom av den største størrelsen. Mens sakte å skrive ut, store modeller er potensielt mer effektive for kommunikasjon i forelesningsmiljøer der det ville være vanskelig å se bevegelsen av en liten struktur på avstand.
Figur 4: Modellene er funksjonelle på en rekke skalaer. For å illustrere hvordan modellene kan skrives ut til ulike formål, ble cykloheksanmodeller montert på fire forskjellige skalaer og alle beholder samme funksjonalitet. Karbonatomer av de største er større enn en softball (112 mm diameter), mens den monterte cykloheksan av de minste kan passe i en softball. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Det dynamiske aspektet er en av de viktigste egenskapene som skiller disse strukturene fra andre utskrivbare molekylære modeller. Siden atomer lett kan rotere i forhold til hverandre, kan strukturene bli forvrengt for å snappe inn i de forskjellige representative konformene av cykloheksan. Figur 5 viser stolen, båten og overgangstilstandsstrukturen for interkonvertering mellom sine respektive konfigurasjonsområder. Dette overgangsstatuspunktet har fire merkede karbonatomer i en nesten planar geometri24,,28, den samme overgangstilstandsstrukturen som man oppnår å gjøre B3LYP/6-311+G(2d,p) beregninger29. Etter den samme overgangstilstanden imaginære frekvensbevegelse, vil litt vridning 2 opp og 3 ned snappe modellen inn i båten conformer landskapet, mens litt vridning 2 ned og 3 opp vil returnere strukturen til stolen conformer.
Figur 5: Konformer av cykloheksan er fullt tilgjengelig. Som atomer kan rotere om sine obligasjoner, modellene kan vedta sterically låst stol og mer konformasjonsfri båt former. Overgangstilstanden mellom disse skjemaene innebærer fire nesten coplanar karbonatomer i ringen. Lett vridning 2 opp med 3 ned vil skyve modellen til båten conformer, mens vridning 2 ned med 3 opp vil returnere modellen til stolen conformer. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
De statlige punktfrie energiestimatene (Supplerende tabell S1) fra B3LYP/6-311+G(2d,p) beregninger av optimaliserte tilstandspunkter (Supplerende filer S6\u2012S9) gir et gap mellom twist-båt og båtkonformører på 0,8 kcal / mol, som er svært nær termisk energi på 298,15 K. Dette tyder på at konvertering mellom disse bør prøve nesten fritt. Gapet mellom stolen conformer og interconversion overgangstilstand er mer enn ti ganger denne verdien, noe som indikerer at stolen skal være i samsvar låst i sammenligning. Dette er illustrert i figur 6, som viser estimert gjennomsnittlig konform energi når hver karbonatom plassering i forhold til ringplanet er latitudinally projisert på en sfære i løpet av en gassfase molekylære dynamikk beregning30,31. I stolsamleren til venstre er energien lav når karbonatomer forskyves over eller under ringplanet, men det ramper opp dramatisk hvis de fortrenger for å justere med ringplanet. I båtsamleren er konformenergien relativt lav når karboner er i ringplanet (twist-båttilstand), og den mer fordrevne båtkonformen er ikke på en drastisk høyere energi. Disse konfigurasjonslandskapene kan utforskes med 3D-trykte cyclohexane-modeller, med stolkonformen bare å kunne vibrere lokalt mens båtkonformen kan jevnt undulate fra ett par motsatte karbonatomer til den neste.
Figur 6: Modellvirkemåte samsvarer med beregninger. I stol og båt conformer stater, latitudinal forskyvning av karbonatomer om ringplan i løpet av en Molekylær Dynamics beregning kan projiseres på overflaten av en omsluttende sfære. Mens stolformen er mest energisk stabil, er den låst og kan bare interkonvertere til den inverterte formen ved å passere gjennom en høy energiovergangstilstand. Både beregninger og trykkmodellfleksibilitet indikerer at båten og twist-boat conformers er atskilt med nær 1 kBT på 298,15 K, slik at nesten gratis latitudinal forskyvning av karbonatomer i denne formen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Supplerende tabell S1: Anslag for fritt energi uten tilstand. Vennligst klikk her for å laste ned denne tabellen.
Tilleggsfil 1. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 2. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 3. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 4. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 5. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 6. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 7. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 8. Klikk her for å laste ned denne filen.
Tilleggsfil 9. Klikk her for å laste ned denne filen.
Discussion
Hovedmålet med denne studien er å rapportere en protokoll for laging av dynamiske molekylære modeller med råvare 3D-skrivere. Disse skriverne blir stadig mer tilgjengelige, ofte til og med gratis å bruke i biblioteker, skoler og andre arenaer. Å komme i gang innebærer å ta valg om både modellene for å skrive ut og materialene som skal brukes, og å bestemme seg fra disse alternativene, kan kreve litt inspirasjon om hva kreativ additiv produksjon kan gjøre for forskning og instruksjon. For å løse disse problemene gir vi noen praktiske materialanbefalinger, foreslåtte modelldeler, en 3D-utskriftsprotokoll og et eksempelprogram, som hver garanterer videre diskusjon.
Det er mange valg av termoplast for bruk i 3D-utskrift. Vi fremhever tre i den presenterte protokollen, da disse tre materialene for tiden er de mest tilgjengelige for gjør-det-selv 3D-utskrift. Valget kan avhenge av hvilket materiale som støttes av en tilgjengelig 3D-skriver, for eksempel vil mange åpne tilgangsfasiliteter bare skrive ut med PLA på grunn av miljøbegrensninger. PLA er et biologisk nedbrytbart og komposterbart materiale som har en utskriftsprotokoll med milde temperaturinnstillinger. Både ABS og PETG er mindre miljøvennlige og ikke generelt resirkulerbare, selv om PETG er basert på svært resirkulerbar polyetylen tereftalat (PET) og kan til slutt se bredere spredning reprosessering som PET. Bærekraftig utskriftspraksis ville innebære å skrive ut få deler om gangen for å sikre både utskriftskvalitet og utskriftssuksess, dette mens du bruker så lite kassert materiale (støttestrukturer, flåter, oser skjold, etc.) som mulig. PLA kan være sprø, så hvis tilgjengelig, ABS og PETG termoplast kan resultere i utskrifter som er mer mekanisk motstandsdyktig og har forbedret lag vedheft, henholdsvis. Disse egenskapene kan være ønskelig for en interaktiv molekylær modell som vil se regelmessig manipulasjon i et laboratorium eller klasserom innstilling.
Modellene som presenteres her tar hensyn til disse hensynene, selv om de først er konstruert for å jobbe sammen for å muliggjøre dynamisk molekylær modellkonstruksjon. På standardskalaen vil de sette sammen vellykket i interaktive molekylære strukturer. De kan lett skaleres opp til store modeller, selv om montering vil kreve mer kraft som tilkoblingspinner er mindre lett å forvrenge i større størrelse. Ved krymping av komponentene vil en 50% reduksjon i størrelse fortsatt fungere med mindre modifikasjoner, for eksempel å krympe karbonatomet modellen til 48 \ u201249% mens du holder bindingen og hydrogenatomet på 50% for å muliggjøre tettere forbindelser mellom deler i PLA-utskrifter. Modeller denne lille er mer delikat og krever ofte flåtestrukturer for å lykkes utskrift, men de er fortsatt funksjonelle som dynamiske molekylære modeller.
Termoplastisk materiale og valgte modeller for å skrive ut er de to mest kritiske aspektene ved en 3D-utskriftsprotokoll. Den valgte termoplasten vil diktere temperaturen, vedheft, annealing og etterbehandling hensyn og alternativer. Hvis den tilgjengelige 3D-skriveren ikke har en oppvarmet seng, er PLA det eneste av de presenterte termoplastiske valgene som vil skrive ut deler reproduserelig. Mens de medfølgende delene er utformet for å reproduserelig skrive ut med forskjellige termoplast og holde opp til dynamisk manipulasjon, vil utskrifter forringes med bruk og sprekk, ofte mellom utskriftslag, når de plasseres under økende stress. I slike situasjoner er det enkelt og relativt kostnadseffektivt å skrive ut en erstatningsdel.
Den dynamiske funksjonaliteten til molekylære samlinger som er trykt fra de medfølgende modellene, skiller dette arbeidet fra andre tilgjengelige og 3D-utskrivbare modeller som primært fremhever tilkoblings- og bindingstyper. De dynamiske aspektene presenteres i liten grad med eksempelet cykloheksanstruktur. Konfigurasjonslandskapet av cykloheksan er direkte tilgjengelig for hånd ved hjelp av disse modellene, og topologiene i disse landskapene er generelt enige med beregningsundersøkelser. Mye av dette kommer av respekt for detaljene i molekylær geometri og frihetsgrader i disse fysiske modelleringskomponentene. I Linus Paulings kommentar til deres suksess med å oppdage strukturen i α-helix1,hevdet de at deres samtidige sto overfor vanskeligheter som kommer fra idealistiske integrerte antagelser og vedta "... bare en grov tilnærming til kravene om interatomære avstander, obligasjonsvinkler og planaritet av den konjugerte midtgruppen, som gitt av våre undersøkelser av enklere stoffer." Mer kvantitativ innsikt langs disse linjene krever mer spesifikke detaljer enn hensynene som tas i å bygge disse modelldelene, men disse modellene og anbefalingene gir grunnlag for generell interaktiv fysisk undersøkelse av molekylære systemer. Disse modellene er en forlengelse av 3D-utskrivbare modellsett vi har produsert for forsknings- og oppsøkende aktiviteter i flere år før denne rapporten, og flere komponentdeler som er kompatible med både disse modellene og den beskrevne protokollen er tilgjengelige fra forfatterne for å muliggjøre mer varierte bindingsordninger og dynamisk handling.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av National Science Foundation (NSF) under Grant No. 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).
