Summary
Физическое моделирование микроскопических систем помогает получить понимание, которое трудно получить другими средствами. Чтобы облегчить построение физических молекулярных моделей, мы демонстрируем, как 3D-печать может быть использована для сборки функциональных макроскопических моделей, которые тактильные качества молекулярных систем уловить.
Abstract
С ростом доступности 3D-печати растет число аспектов и интереса к процессам аддитивного производства в химических лабораториях и химическом образовании. Опираясь на долгую и успешную историю физического моделирования молекулярных систем, мы представляем избранные модели вместе с протоколом для облегчения 3D-печати молекулярных структур, которые способны сделать больше, чем представляют форму и связь. Модели, собранные по описанию, включают динамические аспекты и степени свободы в насыщенные углеводородные структуры. В качестве репрезентативного примера циклохексан был собран из деталей, напечатанных и законченных с использованием различных термопластиков, а полученные модели сохраняют свою функциональность в различных масштабах. Полученные структуры показывают конфигурационную доступность пространства в соответствии с расчетами и литературой, и версии этих структур могут использоваться в качестве вспомогательных средств для иллюстрации концепций, которые трудно передать другими способами. Это упражнение позволяет нам оценить успешные протоколы печати, дать практические рекомендации по сборке и наметить принципы проектирования для физического моделирования молекулярных систем. Предоставленные структуры, процедуры и результаты обеспечивают основу для индивидуального производства и исследования молекулярной структуры и динамики с помощью 3D-печати.
Introduction
Строительство молекулярной структуры уже давно является критическим аспектом для открытия и проверки нашего понимания формы и взаимодействий между молекулами. Физическое здание модели было мотивирующим аспектом в определении структуры спирали в белках Полинг и др.1, первичные клатрат гидрат структурыводы 2,3, и двойной спирали структуры ДНК Уотсон и Крик4. α В опубликованном отчете Джеймса Уотсона о структуре ДНК, он подробно рассказывает о многих трудностях, с которыми сталкиваются в таком модельном здании, например, обертывании медной проволоки вокруг модели атомов углерода, чтобы сделать атомы фосфора, неустойчиво деликатные суспензии атомов, и сделать картонные вырезы из баз, ожидая вырезов из цеха5. Такая борьба в модельном строительстве в значительной степени были устранены с вычислительным моделированием увеличения или полностью вытеснить физические подходы, хотя физические модели остаются важным аспектом в химическом образовании и экспериментов6,7,8,9.
Примерно с 2010 года, 3D-печать наблюдается значительный рост в принятии в качестве инструмента для творческого дизайна и производства. Этот рост был обусловлен конкуренцией и наличием различных принтеров Fused-Deposition Modeling (FDM) от ряда новых компаний, ориентированных на широкую коммерциализацию технологии. С ростом доступности наблюдается одновременный рост применения этих технологий в химическом образовании и экспериментальных лабораторных условиях10,11,12,13,,,,14,15,16,17,18,19,20,21.13 В течение этого периода времени, как коммерческие, так и открытые хранилища сообщества для 3D-моделей, таких как NIH 3D Print Exchange22, сделали модельные системы для 3D-печати более доступными, хотя многие из этих моделей, как правило, сосредоточены на конкретных молекулах цели и обеспечивают простые статические структуры с акцентом на подключение к облигациям и тип. Более общие атомные и молекулярные группы могут позволить более творческие конструкции12,,23, и есть необходимость в моделях, которые могут позволить общее создание структуры с тактильными, динамическими и силы чувствительной обратной связи для молекулярных структур.
Здесь мы представляем компоненты молекулярной модели структуры, которые могут быть легко напечатаны и собраны для формирования динамических молекулярных моделей насыщенных углеводородов. Компонентные структуры являются частью более широкого комплекта, который мы разработали для расширения и информационно-пропагандистской деятельности для нашей лаборатории и университета. Предоставленные детали были спроектированы для печати с различными типами полимерных нитей на товарных 3D-принтерах FDM. Мы представляем результаты модели с использованием различных полимеров и методов отделки как из одного, так и из двойных экструдерных принтеров FDM. Эти компоненты масштабируемы, что позволяет производить модель, подходящую как для личного исследования, так и для демонстрации в больших условиях лекций.
Основная цель настоящего доклада заключается в оказании помощи другим исследователям и преподавателям в переводе деталей и знаний химической структуры более физическими способами с помощью 3D-печати. С этой целью мы выделяем пример приложения, собирая и манипулируя циклохексаном в разных масштабах. Шести членов кольцо системы конформации являются основной темой в вводных курсов органической химии24, и эти конформеры являются фактором в реактивности кольца и сахара структур25,26,27. Печатные модели гибко принимают ключевые кольца конформеры24, и силы, необходимые для кольца интерконверсии пути могут быть непосредственно изучены и качественно оценены вручную.
Protocol
1. Подготовка файлов модели для 3D-печати
ПРИМЕЧАНИЕ: Большое количество 3D принтеров и свободного и коммерческого программного обеспечения печати сделать точные направления за рамки этой статьи. Общий протокол процесс и рекомендации приведены здесь, с конкретными соображениями для репрезентативных моделей показано с перечисленным программным обеспечением и 3D принтеров (см. таблицу материалов). Выделенные направления производителя, специфичные для принтера читателя, и комбинация программного обеспечения для нарезки имеют приоритет над предоставленными рекомендациями.
- Загрузите дополнительные стереолитографии (.stl) файлы, связанные с этой статьей (Дополнительные файлы S1'u2012S5). Загрузите эти файлы на компьютер с помощью программы среза.
- Импорт одного из файлов C_atom_sp3, H_atom или C-C_bond в программу среза. Используйте миллиметровый формат для единиц, если вариант доступен. В программном обеспечении либо нажмите кнопку «Импорт» панели моделей главного окна, либо выберите команду Import Models в меню подтягивания файлов. Выберите соответствующий файл модели из полученного файлового браузера.
- Импортируйте как H_atom_dual_bottom, так и H_atom_dual_top файлы для двойных экструдерных отпечатков атома водорода. Выравнивание, группирование и назначение моделей компонентов к соответствующему экструдеру на основе цвета нити цели.
- Масштабируйте импортируемую модель до нужного размера. Для этого дважды щелкните либо графическую модель на главном дисплее, либо указанную модель в панели моделей главного окна. Это действие открывает панель редактирования моделей, которая позволяет переводить, вращение и масштабирование целевой модели. Представительные модели представлены для 50%, 100%, 200% и 320% масштаба для всех взаимосвязанных частей.
- Активировать структуры поддержки для C_atom_sp3 моделей с весами более 100%. Структуры поддержки могут быть использованы, но, как правило, не являются необходимыми для всех других моделей.
- Активируйте конструкцию плота или краев для моделей 100% и меньшего масштаба. Такие структуры не должны быть необходимы для большинства более крупных моделей, как плоская база будет иметь достаточный контакт с поверхностью кровати, чтобы оставаться фиксированной на месте. Рафты помогают обеспечить хорошо придерживающийся первого слоя для 3D-печати, поэтому, если есть какие-либо трудности в стабильности первого печатного слоя в любом масштабе, активация конструкции плота может привести к более успешным отпечаткам за счет материала, необходимого для конструкции плота.
- Дублировать модели для создания массива моделей по желанию, выбрав опцию Duplicate Models из меню Edit и введя количество частей модели в полученном диалоговом поле. Упорядочить модель (ы) рядом с центром платформы сборки, нажав кнопку Центр и упорядочить кнопку в панели моделей главного окна, или, выбрав Центр и организовать вариант в меню Редактирования выдвижной.
ПРИМЕЧАНИЕ: Смотрите рисунок 1 для примера расположения шести C_atom_sp3 моделей, напечатанных с полилактической кислотой (НОАК). Безопаснее всего печатать одну часть одновременно, хотя печать нескольких небольших частей одного цвета обычно более эффективна по времени. Качество печати деталей в массивах часто ниже из-за необходимости больше точек опрокидывания нитей между моделями. Массивные отпечатки моделей также имеют повышенную вероятность сбоя, так как одна упавшая часть во время печати может помешать печати других деталей.
Рисунок 1: Атомы или связи цвета могут быть напечатаны в виде массивов. Для повышения эффективности печати при небольшой стоимости качества, части, как цвет легко печатаются в массивах. Здесь шесть атомов углерода PLA печатаются вместе, каждый из которых расположен на небольшой конструкции плота с изложением края структуры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
- Установите соответствующие настройки обработки модели для целевых отпечатков с помощью настроек добавления или редактирования процесса из панели процессов основного окна.
ПРИМЕЧАНИЕ: Используемое программное обеспечение имеет выбираемые настройки обработки по умолчанию для PLA, ABS и других доступных термопластиков при добавлении нового процесса или редактировании процесса, соответственно нажав на настройки Add или Edit Process Из панели процессов основного окна. Конкретные корректировки и обоснование для предоставленных молекулярных частей модели следуют.- Установите значение заполнения модели между 15% и 25%. Это будет использовать меньше нити и привести к более легкие части, но окончательный собранные структуры будут достаточно сильны, чтобы выжить физические манипуляции.
- Используйте 100% настройки заполнения для области разъема C-C_bond и H_atom части модели, если это возможно или по мере необходимости для повышения прочности разъемных вкладок.
- Выберите толщину слоя печати 0,2 мм или меньше для поддержания детализации печати.
- Установите скорость первого слоя на значение между 25 и 50% во вкладке слой параметров процесса. Медленно напечатанный первый слой улучшит прилипение к печатной кровати и приведет к более успешным общим 3D отпечаткам.
- Установите экструдер принтера и температуру кровати принтера к значениям, рекомендованным для выбранного материала нити принтера. Предоставляемые температуры являются отправной точкой рекомендаций.
- Для НОАК установите экструдер No 215 C; Кровать и без отопления.
- Для полиэтилена терефталлата гликоль-модифицированного (ПЭТГ) набор Экструдера No 235 градусов по Цельсию, а для кровати - 80 градусов по Цельсию.
- Для акрилонитриле бутадиен стирол (ABS) набор Экструдера No 245 КК и кровати 110 градусов по Цельсию.
- Для C_atom_sp3 частей модели используйте две оболочки Outline/Perimeter с направлением «Вне в» для минимизации искажения печати в нижней части сферы. Эти параметры доступны на вкладке Слой из окна параметров процесса. Для всех остальных частей, "Inside-Out" Направление контура рекомендуется для более чистой отделки поверхности.
- При выполнении двойного экструдера печати выровненных H_atom_dual_bottom и H_atom_dual_top моделей, опционально включите опцию ил-щита. Срезер будет генерировать тонкую геометрию стены вокруг модели, которая будет ловить любой капает полимер из неактивных, но все еще горячей, экструдер отзыв.
- Нарежьте модель слоями печати для создания панели инструментов G-Code. Нажмите кнопку «Подготовка к печати!» на главном окне или выберите опцию «Подготовка к печати» в меню «Редактировать» (Editdown menu).
2. Подготовка принтера для печати деталей
- Пальто поверхности кровати принтера с лентой синего художника для неотапливаемых кроватей. Окутйте поверхность кровати принтера с лентой голубого художника и подслойкой полиимидовой ленты для нагретых кроватей.
- Нанесите тонкий слой клея на ленту синего художника. Клей палкой полимера улучшит печать сцепления на поверхности кровати.
- Поместите или закройте вентилируемый корпус над кроватью принтера. Корпус сводит к минимуму воздушные токи, которые могут нарушить печать аннулирования.
- Для PLA, открыть любой / все вентиляционные порты, как быстрое охлаждение является предпочтительным. Включите вентилятор кровати во время печати, если это возможно.
- Для PETG, открыть ограниченное количество вентиляционных портов, как постепенное охлаждение является предпочтительным. Вентилятор кровати не нужен во время печати.
- Для ABS, открыть минимальное количество вентиляционных портов, как очень постепенное охлаждение является предпочтительным. Выключите вентиляторы кровати во время печати.
- Как только принтер будет подготовлен, нажмите кнопку "Начать печать через USB", чтобы отправить G-код на подключенный принтер и начать процесс печати.
3. Отделка и сборка модельных конструкций
- Удалите детали с кровати принтера. В случае с подогревом отпечатков кровати, удалить части после того, как кровать остыла, чтобы избежать искажения модели во время разделения.
- Удалите плот или краевые конструкции из основания частей, если они используются. Руб базы модели части со средним и мелким песка наждачной бумагой, чтобы удалить все оставшиеся прилагается плот нити.
- Песок базы C_atom_sp3 части модели со средним (120 песка) до очень тонкой (320 песка) наждачной бумагой для удаления дефектов поверхности. Гладкая поверхность с очень тонкой песчаной наждачной бумагой. Польский поверхности желаемой отделкой с полировки ткани или буферного колеса при низкой революции в минуту настройки.
ПРИМЕЧАНИЕ: Например, инструмент Dremel с буферным колесом диаметром 0,5 дюйма, установленным до 10 000 об/мин, может быть использован для полировки, заботясь о том, чтобы не слишком нагревать печать и вызывать дефекты поверхности.- PLA: Отпечатки обычно имеют слегка глянцевую отделку после печати, как показано на панелях рисунок 2. Эта отделка омрачена грубой шлифовкой, но глянцевая отделка может быть восстановлена с полировкой.
- PETG: Отпечатки обычно имеют слегка глянцевую отделку, которая может быть отшлифовалась и восстановлена с полировкой, как с PLA.
- ABS: Отпечатки обычно имеют матовую или лишь незначительно глянцевую отделку после печати(рисунок 3A). Высокоглянцеваяотделка (рисунок 3B) может быть достигнута путем отдельного погружения частей в ванну ацетона для 1'u20122 с и помещая их в вентилируемую область до тех пор, пока ацетон не испарится и поверхность затвердела в пределах типично 12'u201224 h.
ВНИМАНИЕ: Ацетон легковоспламеняющийся и должен применяться экономно в дымовом капюшоне или очень хорошо проветриваемой области. АБС растворяется в ацетоне, поэтому части с дефектами разделения слоя из-за плохого аннулирования не следует рассматривать жидким ацетоном. Ацетон вводит модели через такие дефекты и растворяет модель заполнения (Рисунок 3C). Полировка с ацетоном пара является более медленным процессом, который приведет к аналогичному эффекту, хотя меры предосторожности должны быть приняты с учетом воспламеняемости ацетона.
Рисунок 2: Двойной экструдер отпечатки могут быть более визуально изысканным. (A) Двойная экструдерная модель атома водорода печатает визуально более сплоченной, чем (B) все белые модели атома водорода печатает. (C) Когда соединены вместе, чтобы сформировать полный циклохексане кольца, собранные модели PLA функционально идентичны. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3: модели ABS могут быть химически обработаны для глянцевой отделки. ()ABS модели печатает, как правило, имеют более диффузный или матовый вид, но (B) после химической обработки частей с кратким падением в ацетон они получают высокий блеск отделки. (C) Если ацетон входит в интерьер печати через дефекты разделения слоя, ацетон растворит модель изнутри, в результате чего она рухнет. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
- Вставьте концы разъема C-C_bond и H_atom частей модели в розетки на C_atom_sp3 части модели в соответствии с желаемой топологией связи. Сожмите части модели вместе до тех пор, пока не будет слышен звуковой щелчок. После подключения, одна связь должна свободно вращаться об этой связи, не распадаясь.
ПРИМЕЧАНИЕ: Подключение подходит плотно, так что это может потребовать значительной силы для моделей с масштабированием более 100%. Предоставленные части не предназначены для разделения после соединения их вместе, но они могут быть разделены с очень значительной прикладной силой. Вращение о подключенной связи является желаемой особенностью для предоставленных частей и моделей. Для вращения блокировки требуется модель атома (например, гибридизированный углерод sp2) с фиксированной структурой в розетке соединения, которая вставляет между интервалами вкладки на конце модели облигаций. - Соберите все печатные части в соответствии с желаемой молекулярной структурой. Насыщайте все C_atom_sp3 части модели, заполняя любую открытую розетку H_atom частью модели. Для кольца, как циклохексане, закройте кольцо с C-C_bond модельной частью между C_atom_sp3 части модели.
Representative Results
Представленный протокол охватывает различные потенциальные варианты интерактивной молекулярной модели строительства. В качестве основного и объединяющего примера для молекулярной сборки с использованием этих частей модели, мы решили собрать интерактивные циклохексанные структуры в различных масштабах. На рисунке 2 показаны части, необходимые для этой структуры: шесть атомов C, шесть связей C-C и двенадцать атомов H. Эти конкретные отпечатки были изготовлены с использованием обоих принтеров, перечисленныхв таблице материалов . Более дорогостоящий двойной экструдерный принтер позволяет производить двойные цветовые компоненты; здесь двухцветные структуры атома водорода с изменением цвета в середине связи(рисунок 2A). Моноцветные водороды в рисунке 2B печати примерно в 50'u201260% меньше времени из-за отсутствия структуры ил щит и отсутствие полимерных впоров при переключении между активными экструдерами. Собранные структуры циклохексана(рисунок 2C)функционально эквивалентны, хотя двойные отпечатки экструдера, как правило, выглядят умеренно более изысканными.
Модели PLA на рисунке 2 имеют достаточно хорошую отделку, которая более изысканна, чем модели ABS прямо с принтера(рисунок 3A). Химическая обработка моделей ABS с ацетоном дает гладкую и высокую глянцевую отделку, которая почти придает поверхности влажный вид(Рисунок 3B). Такая отделка может быть хлопотно, особенно если модели ABS не анналированные хорошо. Большие модели, напечатанные с помощью ABS, подвержены дефектам разделения слоев. Дефекты разделения слоя случаются, когда предыдущий слой охлаждается, прежде чем экструдер может пройти над, чтобы сложить следующий слой. Для больших отпечатков ABS крайне важно, чтобы окружающая среда вокруг нагревательной кровати принтера оставалась при равномерной и теплой температуре, чтобы замедлить скорость охлаждения. Если отпечаток с дефектом слоя погружается в ацетон, ацетон войдет в модель и растворит внутреннюю структуру поддержки. Это приведет к краху модели изнутри, как показано на рисунке 3C.
Визуально отчетливая внешность является вторичной по сравнению с функциональностью структур модели. Разъемы были разработаны таким образом, чтобы обеспечить свободное вращение отдельных облигаций. Для проверки их полезности в различных системах были напечатаны четыре различных набора размеров детали, диаметр атома углерода - от 17,5 мм, 35 мм, 70 мм и 112 мм. Собранные структуры циклохексана(рисунок 4)были все способны сгибать, искажать, и принять соответствующие конформеры таким же образом. Самая маленькая из этих моделей была наиболее склонна к печати недостатков, что делает этот размер потенциально слишком мал и не рекомендуется без настройки относительного размера частей. Одним из основных преимуществ для небольших отпечатков является скорость печати. Массив из шести самых маленьких атомов углерода, напечатанных примерно в 2 ч, по сравнению с 10 ч, необходимых для одного атома углерода самого большого размера. Хотя печатать медленно, большие модели потенциально более эффективны для общения в настройках лекций, где было бы трудно увидеть движение небольшой структуры на расстоянии.
Рисунок 4: Модели функционируют в различных масштабах. Чтобы проиллюстрировать, как модели могут быть напечатаны для различных целей, модели циклохексана были собраны в четырех различных масштабах и все сохраняют одну и ту же функциональность. Атомы углерода самого большого большле чем софтбол (диаметр 112 мм) пока собранный циклохексан самого малого смог приспосабливать внутри софтбол. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Динамический аспект является одним из ключевых атрибутов, отделяющей эти структуры от других печатных молекулярных моделей. В виду того что атомы могут легко повернуть относительно друг к другу, структуры можно исказить для того чтобы щелкнуть в по-разному репрезенторы cyclohexane. На рисунке 5 показаны стул, лодка и переходная государственная структура для интерконверсии между соответствующими пространствами конфигурации. Эта точка состояния перехода имеет четыре помеченных атомов углерода в почти планар геометрии24,28, тот же переход государственной структуры, что один достигает делать B3LYP/6-311'G (2d,p) расчеты29. После того же состояния перехода мнимого движения частоты, слегка скручивания 2 вверх и 3 вниз будет оснастки модели в лодку конформер пейзаж, в то время как слегка скручивания 2 вниз и 3 вверх вернет структуру на стул конформер.
Рисунок 5: Конформеры циклохексана полностью доступны. По мере того как атомы могут повернуть о их скреплениях, модели могут принять sterically locked стул и больше конформно свободных форм шлюпки. Переходное состояние между этими формами включает в себя четыре почти копланарных атомов углерода в кольце. Слегка скручивание 2 с 3 вниз будет скольжения модели на лодке конформер, в то время как скручивание 2 вниз с 3 вверх вернет модель на стул конформер. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Состояние точки свободной оценки энергии (Дополнительная таблица S1) от B3LYP/6-311'G (2d,p) расчеты оптимизированных государственных точек (Дополнительные файлы S6'u2012S9) дают разрыв между твист-лодки и лодки конформеры 0,8 ккал / мол, который очень близок к тепловой энергии на 298,15 K. Это говорит о том, что преобразование между ними должно образец почти свободно. Разрыв между конформером стула и состоянием перехода interconversion больше чем 10 времен это значение, показывая что стул должен конформно быть зафиксирован в сравнении. Это иллюстрируется на рисунке 6, который показывает расчет средней энергии конформера, когда каждый атом углерода расположение относительно кольцевой плоскости latitudinally проецируется на сферу в течение газовой фазы молекулярной динамики расчета30,31. В конформере стула слева, энергия низка, когда атомы углерода смещены выше или ниже плоскости кольца, но он резко нарастает, если они вытесняют, чтобы выровнять с кольцевым плоскостью. В конформисте лодки энергия конформера относительно низка, когда углероды находятся в кольцевой плоскости (состояние твист-лодки), и более сильно смещенный конформер лодки не на резко более высокую энергию. Эти ландшафты конфигурации могут быть изучены с 3D печатных моделей циклохексана, с председателем конформер только в состоянии локально вибрировать в то время как лодка конформист может плавно волнистые от одной пары противоположных атомов углерода к следующему.
Рисунок 6: Модель поведения соответствует расчетам. В состояниях конформера стула и лодки латитудинальное смещение атомов углерода о плоскости кольца в ходе расчета молекулярной динамики может быть проецировано на поверхность замкнутой сферы. Пока форма стула самая напористо стабилизирована, она locked и может только interconvert к inverted форме путем проходить через состояние перехода высокой энергии. Как расчеты, так и гибкость печатной модели указывают на то, что конформеры лодки и твист-лодки разделены почти 1 кБТT при 298,15 К, что позволяет почти бесплатное широтное смещение атомов углерода в этой форме. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Дополнительная таблица S1: Состояние точки свободной оценки энергии. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Дополнительный файл 1. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 2. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 4. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 5. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 6. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 7. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 8. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 9. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.
Discussion
Основная цель данного исследования – сообщить о протоколе разработки динамических молекулярных моделей с товарными 3D-принтерами. Эти принтеры становятся все более доступными, часто даже бесплатными для использования в библиотеках, школах и других местах. Начало работы включает в себя выбор как модели для печати и материалов для использования и принятия решения из этих вариантов может потребовать некоторого вдохновения относительно того, что творческое производство добавок может сделать для исследований и обучения. Для решения этих вопросов мы предоставляем некоторые практические рекомендации по материалам, предлагаемые части моделей, протокол 3D-печати и пример приложения, каждое из которых требует дальнейшего обсуждения.
Есть много вариантов термопластика для использования в 3D-печати. Мы выделяем три в представленном протоколе, поскольку эти три материала в настоящее время являются наиболее широко доступными для сделай сам 3D-печати. Выбор может зависеть от того, какой материал поддерживается доступным 3D-принтером, например, многие объекты открытого доступа будут печататься только с НОАК из-за экологических ограничений. PLA является биоразлагаемым и компостируемым материалом, который имеет протокол печати с мягкими температурными настройками. Оба ABS и PETG являются менее экологически чистыми и, как правило, не перерабатываемых, хотя PETG основана на высокоперерабатываемой полиэтилен терефталат (ПЭТ) и в конечном итоге может увидеть более широкое распространение переработки, как ПЭТ. Устойчивое использование практики печати будет включать в себя печать нескольких частей в то время, чтобы обеспечить качество печати и успех печати, при этом, используя как мало отбрасываются материала (поддержка структур, плоты, ил щиты и т.д.), как это возможно. PLA может быть хрупким, так что при наличии, ABS и PETG термопластик может привести к отпечаткам, которые являются более механически устойчивыми и улучшили спайки слоя, соответственно. Эти свойства могут быть желательными для интерактивной молекулярной модели, которая будет видеть регулярные манипуляции в лабораторных или классных условиях.
Представленные здесь модели учитывают эти соображения, хотя они во-первых разработаны для совместной работы, позволяющей развивать динамическую молекулярную модель. По умолчанию они успешно собираются в интерактивные молекулярные структуры. Они могут быть легко масштабируется до больших моделей, хотя сборка потребует большей силы, как соединение зубцы менее легко искажать на больший размер. При сокращении компонентов, 50% сокращение размера будет по-прежнему работать с незначительными изменениями, такими как сокращение модели атома углерода до 48'u201249% при сохранении связи и атома водорода на 50%, чтобы более жесткие связи между частями в НОАК печатает. Модели этого малого являются более тонкими и часто требуют плот структур для успешной печати, но они по-прежнему функциональны в качестве динамических молекулярных моделей.
Термопластикный материал и выбранные модели для печати являются двумя наиболее важными аспектами протокола 3D-печати. Выбранный термопластик будет диктовать температуру, спайку, аннулирование, и отделочные соображения и варианты. Если доступный 3D принтер не имеет подогревом кровати, НОАК является единственным из представленных термопластик выбор, который будет печатать части воспроизводимо. В то время как предоставленные части предназначены для воспроизведения с различными термопластиком и держать до динамических манипуляций, отпечатки будут деградировать с использованием и трещины, часто между слоями печати, при размещении под возрастающим стрессом. В таких ситуациях легко и относительно экономически эффективно печатать заменяющую часть.
Динамическая функциональность молекулярных сборок, напечатанных на основе предоставленных моделей, отличает эту работу от других доступных и 3D-печатных моделей, которые в первую очередь подчеркивают типы подключения и связи. Динамические аспекты представлены в малой части с структурой cyclohexane примера. Ландшафт конфигурации циклохексана непосредственно доступен вручную с помощью этих моделей, и топологии этих ландшафтов в целом согласны с вычислительными исследованиями. Многое из этого происходит от уважения к специфике молекулярной геометрии и степени свободы в этих физических компонентов моделирования. В комментарии Линуса Полинга об их успехе в открытии структуры «спираль1»они утверждали, что их современники сталкивались с трудностями, исходя из идеалистических интегральных предположений и принятия «... только грубое приближение к требованиям о межатомных расстояниях, углах связи и планальности конъюгированной амидной группы, как это дается нашими исследованиями более простых веществ». Более количественное понимание в этом направлении требует более конкретных деталей, чем соображения, взятые при построении этих типовых частей, но эти модели и рекомендации обеспечивают основу для общего интерактивного физического исследования молекулярных систем. Эти модели являются продолжением комплектов 3D-печати моделей, которые мы производим для научно-исследовательской и информационно-пропагандистской деятельности в течение нескольких лет до настоящего доклада, и дополнительные компоненты, совместимые с обеими этими моделями и описанным протоколом, доступны авторами для обеспечения более разнообразных механизмов склеивания и динамических действий.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Национальным научным фондом (NSF) под ГрантОм No. ЧЕ-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).
