Summary
Fysisk modellering av mikroskopiska system hjälper till att få insikter som är svåra att vinna på andra sätt. För att underlätta konstruktionen av fysiska molekylära modeller visar vi hur 3D-utskrift kan användas för att montera funktionella makroskopiska modeller som fångar egenskaper hos molekylära system på ett taktilt sätt.
Abstract
Med den ökade tillgängligheten för 3D-utskrift har det skett en växande tillämpning av och intresse för additiv tillverkningsprocesser i kemiska laboratorier och kemisk utbildning. Med utgångspunkt i den långa och framgångsrika historien om fysisk modellering av molekylära system presenterar vi utvalda modeller tillsammans med ett protokoll för att underlätta 3D-utskrift av molekylära strukturer som kan göra mer än att representera form och konnektivitet. Modeller som monteras enligt beskrivningen innehåller dynamiska aspekter och frihetsgrader i mättade kolvätestrukturer. Som ett representativt exempel monterades cyclohexan från delar som trycktes och färdigställdes med hjälp av olika termoplaster, och de resulterande modellerna behåller sin funktionalitet på en mängd olika skalor. De resulterande strukturerna visar konfigurationsutrymmestillgänglighet som överensstämmer med beräkningar och litteratur, och versioner av dessa strukturer kan användas som hjälpmedel för att illustrera begrepp som är svåra att förmedla på andra sätt. Denna övning gör det möjligt för oss att utvärdera framgångsrika utskriftsprotokoll, göra praktiska rekommendationer för montering och beskriva designprinciper för fysisk modellering av molekylära system. De tillförde strukturerna, rutinerna och resultaten utgör en grund för individuell tillverkning och utforskning av molekylär struktur och dynamik med 3D-utskrift.
Introduction
Molekylär strukturbyggnad har länge varit en kritisk aspekt för upptäckt och validering av vår förståelse av formen och interaktionen mellan molekyler. Fysisk modell byggnad var en motiverande aspekt i bestämningen av α-helixstruktur i proteiner av Pauling et al.1, den primära klathrate hydrat strukturer av vatten2,3, och dubbel-helix struktur AV DNA av Watson och Crick4. I James Watsons publicerade redogörelse för DNA-strukturen, han detaljer många av de kamper som möter i en sådan modell byggnad, såsom inslagning en koppartråd runt modell kolatomer för att göra fosforatomer, betänkligt känsliga suspensioner av atomer, och göra kartong utskärningar av baser medan du väntar på tenn utskärningar från verkstaden5. Sådana kamper i modellbyggnad har till stor del avhjälpts med beräkningsmodellering utöka eller helt ersätta fysiska metoder, även om fysiska modeller är fortfarande en viktig aspekt i kemisk utbildning och experiment6,7,8,9.
Sedan omkring 2010 har 3D-utskrift sett en betydande ökning av antagandet som ett verktyg för kreativ design och tillverkning. Denna tillväxt har drivits av konkurrens och tillgång till en mängd olika Fused-Deposition Modeling (FDM) skrivare från en rad nya företag med fokus på bred kommersialisering av tekniken. Med den ökande tillgängligheten har det skett en samtidig ökning av tillämpningen av dessa tekniker inom kemiutbildning och experimentella laboratoriemiljöer10,,11,,12,,13,14,15,16,17,18,19,,20,,21. Under denna tidsperiod har både kommersiella och öppna community-databaser för 3D-modeller, till exempel NIH 3D Print Exchange22,gjort modellsystem för 3D-utskrift mer tillgängliga, även om många av dessa modeller tenderar att vara centrerade på specifika målmolekyler och ger enkla statiska strukturer med betoning på bindningsanslutning och typ. Mer allmänna atom- och molekylära grupper kan möjliggöra mer kreativa konstruktioner12,23, och det finns ett behov av modeller som kan möjliggöra allmän strukturskapande med taktil, dynamisk och kraftkänslig återkoppling för molekylära strukturer.
Här presenterar vi molekylära modellstrukturkomponenter som lätt kan tryckas och monteras för att bilda dynamiska molekylära modeller av mättade kolväten. Komponentstrukturerna är en del av ett bredare kit som vi har utvecklat för utbyggnad och uppsökande verksamhet för vårt laboratorium och universitet. De medföljande delarna har konstruerats för att vara utskrivbara med en mängd olika polymerglödtyper på råvaror FDM 3D-skrivare. Vi presenterar modellresultat med hjälp av olika polymerer och efterbehandlingstekniker från både enkla och dubbla extruder FDM-skrivare. Dessa komponenter är skalbara, vilket möjliggör modelltillverkning lämplig för både personlig undersökning och demonstration i större föreläsningsinställningar.
Det främsta syftet med denna rapport är att hjälpa andra forskare och lärare att översätta kemiska strukturdetaljer och kunskaper på mer fysiska sätt med 3D-utskrift. För detta ändamål belyser vi ett exempel program genom montering och manipulera cyclohexane i olika skalor. Sex-medlem ring system konformationer är ett centralt ämne i inledande organisk kemi kurser24, och dessa konformatorer är en faktor i reaktiviteten hos ring-och sockerstrukturer25,26,27. De tryckta modellerna använder sig flexibelt av nyckelringens konformatorer24, och den kraft som behövs för ringinterkonversionsvägar kan utforskas direkt och kvalitativt utvärderas för hand.
Protocol
1. Förberedelse av modellfiler för 3D-utskrift
Det stora antalet 3D-skrivare och gratis och kommersiellt utskriftsprogram gör exakta riktningar utanför den här artikelns räckvidd. Allmän protokollprocess och rekommendationer ges här, med särskilda överväganden för representativa modeller som visas med den angivna programvaran och 3D-skrivare (se Tabell över material). Dedikerade tillverkarriktningar som är specifika för en läsares skrivare och en kombination av skivningsprogram har företräde framför de rekommendationer som ges.
- Ladda ner de kompletterande stereolitografifilerna (.stl) som är associerade med den här artikeln(Tilläggsfiler S1\u2012S5). Ladda upp dessa filer till datorn med utsnittsprogrammet.
- Importera en av C_atom_sp3, H_atom eller C-C_bond filer till utsnittsprogrammet. Använd millimeterformat för enheterna om det finns ett alternativ. I programvaran klickar du antingen på knappen Importera på modellpanelen i huvudfönstret eller väljer kommandot Importera modeller under rullgardinsmenyn Arkiv. Välj lämplig modellfil från den resulterande filbläddraren.
- Importera både H_atom_dual_bottom och H_atom_dual_top filer för dubbla extrudertryck av väteatomen. Justera, gruppera och tilldela komponentmodellerna till den relevanta extrudern baserat på målglödsfärgen.
- Skala den importerade modellen till önskad storlek. För detta dubbelklickar du antingen på den grafiska modellen i huvuddisplayen eller den listade modellen på modellpanelen i huvudfönstret. Den här åtgärden öppnar en modellredigeringspanel som möjliggör översättning, rotation och skalning av målmodellen. Representativa modeller presenteras för 50%, 100%, 200% och 320% skala för alla sammankopplade delar.
- Aktivera stödstrukturer för C_atom_sp3 modeller med skalor som är större än 100 %. Stödstrukturer kan användas men är i allmänhet inte nödvändiga för alla andra modeller.
- Aktivera en flotte eller brätte struktur för 100% och mindre modeller skala. Sådana strukturer bör inte vara nödvändiga för de flesta större modeller eftersom den platta basen kommer att ha tillräcklig kontakt med sängytan för att förbli fast på plats. Flottar bidra till att ge en välhäftad första lagret för en 3D-utskrift, så om det finns några svårigheter i stabiliteten i det första tryckta lagret i någon skala, aktivera en flotte struktur kan leda till mer framgångsrika utskrifter på bekostnad av det material som behövs för flotten struktur.
- Duplicera modeller för att generera en matris med modeller som önskas genom att välja alternativet Duplicera modeller på Redigera-menyn och ange antalet modelldelar i den resulterande dialogrutan. Ordna modellerna nära mitten av byggplattformen genom att klicka på knappen Centrera och ordna på modellpanelen i huvudfönstret, eller genom att välja alternativet Centrera och Ordna under pulldown-menyn Redigera.
OBS: Se figur 1 för ett exempelarrangemang av sex C_atom_sp3 modeller tryckta med polymjölksyra (PLA). Det är säkrast att skriva ut en enda del i taget, men att skriva ut flera små delar av samma färg är oftast mer tidseffektivt. Utskriftskvaliteten på delar i matriser är ofta lägre på grund av behovet av fler upprullningspunkter mellan olika modeller. Matrisutskrifter av modeller har också en ökad sannolikhet för fel eftersom en fallen del under utskrift kan störa utskriften av andra delar.
Bild 1: Lika färgade atomer eller bindningar kan skrivas ut som matriser. För att öka utskriftseffektiviteten till en liten kostnad i kvalitet skrivs delar av likadan färg lätt ut i matriser. Här är sex PLA kolatomer tryckta tillsammans, var och en placerad på en liten flotte struktur med en beskriver brätte struktur. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
- Ange lämpliga modellbearbetningsinställningar för målutskrifter med hjälp av Lägg till eller redigera processinställningar från panelen Processer i huvudfönstret.
Obs: Den programvara som används har valbara standardbearbetningsinställningar för PLA, ABS och andra tillgängliga termoplaster när du lägger till en ny process eller redigerar en process genom att klicka på Lägg till eller redigera processinställningar från panelen Processer i huvudfönstret. Specifika justeringar och motiv för de medföljande molekylära modelldelarna följer.- Ange modellutfyllnadsvärdet mellan 15 % och 25 %. Detta kommer att använda mindre glödtråd och resultera i lättare delar, men de slutliga monterade strukturerna kommer att vara tillräckligt stark för att överleva fysisk manipulation.
- Använd 100 % fyllningsinställningar för anslutningsregionerna C-C_bond och H_atom modelldelar om möjligt eller vid behov för att öka hållbarheten på anslutningsflikarna.
- Välj en utskriftslagertjocklek på 0,2 mm eller mindre för att underhålla utskriftsdetaljer.
- Ange den första lagerhastigheten till ett värde mellan 25 och 50 % på fliken Lager i processinställningarna. Ett långsamt utskrivet första lager förbättrar vidhäftningen till utskriftsbädden och resulterar i mer framgångsrika 3D-utskrifter.
- Ställ in skrivarens extruder och skrivarbäddstemperaturer på de värden som rekommenderas för det valda skrivargtrådsmaterialet. De angivna temperaturerna är startpunktsrekommendationer.
- För PLA, ställ in Extruder = 215 °C; Säng = Ingen uppvärmning.
- För polyetentereftalat glykolmodifierad (PETG) uppsättning Extruder = 235 °C och Bädd = 80 °C.
- För akrylnitril butadienstyren (ABS) set Extruder = 245 °C och Bed = 110 °C.
- För C_atom_sp3 modelldelar använder du två kontur-/perimeterskal med konturriktningen "Outside-In" för att minimera utskriftsdistorsionen längst ned i sfären. Dessa alternativ är tillgängliga på fliken Lager i fönstret Processinställningar. För alla andra delar rekommenderas konturriktningen "Inside-Out" för en renare ytjämnhet.
- Om du utför ett dubbelutskrift av de justerade H_atom_dual_bottom och H_atom_dual_top modeller, kan du aktivera ett ooze-sköldalternativ. Skivaren kommer då att generera en tunn vägg geometri runt modellen som kommer att fånga någon droppande polymer från inaktiva, men ändå varm, extruder spets.
- Segmentera modellen i utskriftslager för att generera en G-Code-verktygssökväg. Klicka på knappen Förbered för att skriva ut! i huvudfönstret eller välj alternativet Förbered för utskrift under rullgardinsmenyn Redigera.
2. Förberedelse av skrivaren för utskrift av delar
- Täck ytan på skrivarbädden med blå målartejp för ouppvärmda sängar. Täck ytan på skrivarbädden med blå målartejp och ett underlager av polyimidtejp för uppvärmda sängar.
- Applicera ett tunt lager limpinne på den blå målartejpen. Limpinne polymer kommer att förbättra utskrift vidhäftning till sängytan.
- Placera eller stäng ett ventilerat hölje över skrivarsängen. Ett hölje minimerar luftströmmar som kan störa utskriftsglödningen.
- För PLA, öppna alla/alla ventilationsportar eftersom snabb kylning är att föredra. Slå på en sängfläkt under utskrift om möjligt.
- För PETG, öppna ett begränsat antal ventilationsportar som gradvis kylning är att föredra. En säng fläkt är onödig under utskrift.
- För ABS, öppna ett minsta antal ventilationsportar som mycket gradvis kylning är att föredra. Stäng av sängfläktar under utskrift.
- När skrivaren är förberedd klickar du på knappen "Börja skriva ut via USB" för att skicka G-koden till den anslutna skrivaren och påbörja utskriftsprocessen.
3. Efterbehandling och montering av modellkonstruktioner
- Ta bort delar från skrivarbädden. När det gäller uppvärmda sängutskrifter, ta bort delar efter att sängen har svalnat för att undvika att förvränga modellen under separationen.
- Ta bort flotte eller brätte strukturer från basen av delar om de används. Gnid basen av modelldelen med medium till fint sandpapper för sandpapper för att ta bort eventuella kvarvarande fästa flotttrådar.
- Slipa basen av C_atom_sp3 modelldelar med medium (120 grus) till mycket fina (320 grus) sandpapper för att ta bort ytdefekter. Släta ut ytan med det mycket fina sandpapperet. Polera ytan till önskad finish med en polerduk eller bufferthjul vid låg varvtal per minutinställning.
OBS: Till exempel kan ett Dremel-verktyg med ett bufferthjul med 0,5 tum tjock diameter inställd på 10 000 varv/min användas för polering, var noga med att inte föranställa utskriften och orsaka ytdefekter.- PLA: Utskrifter har vanligtvis en något blank yta efter utskrift som visas i panelerna i figur 2. Denna finish är kantad av grov slipning, men den blanka finishen kan återställas med polering.
- PETG: Utskrifter har vanligtvis en något blank yta som kan slipas och återställas med polering som med PLA.
- ABS: Utskrifter har vanligtvis en matt eller endast marginellt blank yta efter utskrift(figur 3A). En högblank yta (figur 3B) kan uppnås genom att separat doppa delarna i ett acetonbad i 1\u20122 s och placera dem i ett ventilerat område tills acetonen har avdunstat och ytan har stelnat inom typiskt 12\u201224 h.
VARNING: Aceton är brandfarligt och bör appliceras sparsamt i en rökhuva eller mycket väl ventilerat utrymme. ABS löses upp i aceton, så delar med lagerseparationsdefekter på grund av dålig glödgning bör inte behandlas med flytande aceton. Aceton kommer in i modeller genom sådana defekter och löser upp modellens fyllning (figur 3C). Polering med aceton ånga är en långsammare process som kommer att resultera i en liknande effekt, men säkerhetsåtgärder bör vidtas med tanke på brandfarlighet aceton.
Bild 2: Dubbla extrudertryck kan förfinas mer visuellt. (A)Dubbla extruder modell väteatom utskrifter är visuellt mer sammanhängande än(B)alla vita modell väteatom utskrifter. (C)När de är anslutna till fullständiga cyklohexanringar är de monterade PLA-modellerna funktionellt identiska. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: ABS-modeller kan bearbetas kemiskt för en blank yta. (A)ABS modell utskrifter tenderar att ha en mer diffus eller matt utseende, men (B) efter kemiskt behandla delarna med en kort dopp i aceton de får en hög glans finish. (C)Om aceton kommer in i det inre av utskriften genom lager separationsdefekter, aceton kommer att lösa upp modellen inifrån och ut, vilket gör att den kollapsar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
- Sätt i kontaktändarna på C-C_bond och H_atom modelldelar i uttag på C_atom_sp3 modelldelar enligt önskad bindningstopologi. Kläm ihop modelldelarna tills ett hörbart klick hörs. När den är ansluten bör den enda bindningen fritt rotera runt denna anslutning utan att falla sönder.
Anslutningspassningen är tät, så detta kan kräva betydande kraft för modeller med skalning som är större än 100 %. De medföljande delarna är inte avsedda att separeras efter att ha anslutit dem till varandra, men de kan separeras med en mycket betydande applicerad kraft. Rotation om en ansluten bindning är en önskad funktion för de medföljande delarna och modellerna. Låsningsrotation kräver en atommodell (t.ex. ett sp2-hybridiserat kol) med en fast struktur i anslutningsuttaget som skär mellan avstånden på flikarna i slutet av bindningsmodellen. - Montera alla tryckta delar enligt önskad molekylär struktur. Mätta alla C_atom_sp3 modelldelar genom att fylla ett öppet uttag med en H_atom modelldel. För en ring som cyklohexan, stäng ringen med en C-C_bond modelldel mellan C_atom_sp3 modelldelar.
Representative Results
Det protokoll som tillhandahålls täcker en mängd möjliga alternativ för interaktiv molekylär modellkonstruktion. Som ett grundläggande och enande exempel för en molekylär sammansättning med hjälp av dessa modelldelar har vi valt att montera interaktiva cyklohexanstrukturer i olika skalor. Figur 2 visar de delar som behövs för denna struktur: sex C-atomer, sex C-C-bindningar och tolv H-atomer. Dessa specifika utskrifter har skapats med hjälp av båda skrivarna som anges i strukturförteckningen. Den dyrare dubbla strängpressskrivaren möjliggör produktion av komponenter med dubbla färger. här de tvåfärgade väteatomstrukturerna med färgförändringen vid bindningens mittpunkt (figur 2A). Den monofärgade väten i figur 2B tryck i ca 50\u201260% mindre tid på grund av bristen på en sekret sköld struktur och brist på polymer upprullningar i växla mellan aktiva extruders. De monterade cyklohexanstrukturerna (figur 2C) är funktionellt likvärdiga, även om de dubbla extrudertrycken tenderar att se måttligt mer raffinerade ut.
PLA-modellerna i figur 2 har någorlunda fin finish som är mer raffinerad än ABS-modeller direkt från skrivaren(bild 3A). Kemisk behandling av ABS-modeller med aceton ger en jämn och högglansig finish som nästan ger ytan ett vått utseende (figur 3B). Sådan efterbehandling kan vara besvärande, särskilt om ABS-modeller inte glödgas väl. Stora modeller tryckta med ABS är benägna att lager separation defekter. Lagerseparationsfel inträffar när föregående lager svalnar innan extrudern kan korsa över för att lägga ner nästa lager. Det är mycket viktigt för stora ABS-utskrifter att miljön runt skrivarens värmebädd förblir jämn och varm temperatur för att bromsa kylhastigheten. Om ett tryck med en lagerdefekt är nedsänkt i aceton, kommer aceton in i modellen och lösa upp den inre stödstrukturen. Detta kommer att kollapsa modellen från insidan som visas i figur 3C.
Ett visuellt distinkt utseende är sekundärt till funktionaliteten hos modellstrukturerna. Kontakterna har utformats för att möjliggöra fri rotation om enkelbindningar. För att testa deras nytta i olika system trycktes fyra olika uppsättningar av delstorlekar, med kolatomdiametern från 17,5 mm, 35 mm, 70 mm och 112 mm. De monterade cyklohexanstrukturerna (figur 4) kunde alla böja, förvränga och anta relevanta konformatorer på samma sätt. Den minsta av dessa modeller var den mest benägna att skriva ut brister, vilket gör denna storlek potentiellt för liten och rekommenderas inte utan tweaking den relativa storleken på delarna. En av de främsta fördelarna med de mindre utskrifterna är utskriftshastigheten. En matris av sex av de minsta kolatomer tryckt i ca 2 h, jämfört med 10 h som krävs för en enda kolatom av den största storleken. Även långsam att skriva ut, stora modeller är potentiellt mer effektiva för kommunikation i föreläsning inställningar där det skulle vara svårt att se rörelsen av en liten struktur på avstånd.
Figur 4: Modellerna fungerar i olika skalor. För att illustrera hur modellerna kan skrivas ut för olika ändamål, cyklohexan modeller monterades på fyra olika skalor och alla behålla samma funktionalitet. Kolatomer av de största är större än en softball (112 mm diameter) medan den monterade cyklohexan av de minsta kunde passa inom en softball. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Den dynamiska aspekten är ett av de viktigaste attributen som skiljer dessa strukturer från andra utskrivbara molekylära modeller. Eftersom atomerna lätt kan rotera i förhållande till varandra, kan strukturerna förvrängas för att snäppa in i de olika representativa konformanterna av cyklohexan. Figur 5 visar stolen, båten och övergångstillståndsstrukturen för interkonversion mellan deras respektive konfigurationsutrymmen. Denna övergångstillståndspunkt har fyra märkta kolatomer i en nästan planar geometri24,28, samma övergångstillståndsstruktur som man uppnår gör B3LYP/6-311+G(2d,p) beräkningar29. Efter samma övergångstillstånd imaginära frekvens rörelse, något vrida 2 upp och 3 ner kommer att knäppa modellen i båten conformer landskapet, medan något vrida 2 ner och 3 upp kommer att återställa strukturen till stolen conformer.
Figur 5: Konformorer av cyklohexan är fullt tillgängliga. Eftersom atomerna kan rotera om sina bindningar, kan modellerna anta den sterically låsta stolen och mer konformationsfria båtformer. Övergångstillståndet mellan dessa former innebär fyra nästan coplanar kolatomer i ringen. Lätt vrida 2 upp med 3 ner kommer att glida modellen till båten conformer, medan vrida 2 ner med 3 upp kommer att returnera modellen till stolen conformer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Staten punkt fri energi uppskattningar(Tilläggstabell S1) från B3LYP/6-311 + G (2d, p) beräkningar av optimerade tillståndspunkter (Tilläggsfiler S6\u2012S9) ger en lucka mellan twist-båt och båt konformatorer på 0,8 kcal / mol, vilket är mycket nära termisk energi på 298,15 K. Detta tyder på att omvandlingen mellan dessa bör ta prov nästan fritt. Klyftan mellan stolen conformer och interconversion övergångstillstånd är mer än tio gånger detta värde, vilket tyder på att stolen bör konformationsmässigt låst i jämförelse. Detta illustreras i figur 6, som visar uppskattad genomsnittlig konformatorenergi när varje kolatomplats i förhållande till ringplanet latitudinellt projiceras på en sfär under en gasfasmolekylär dynamikberäkning30,31. I stolen conformer till vänster, är energin låg när kolatomer förskjuts över eller under ringplanet, men det ramper upp dramatiskt om de förskjuts för att anpassa sig till ringplanet. I båtens konformator är konformatorenergin relativt låg när kolen är i ringplanet (twist-båttillstånd), och den mer kraftigt förskjutna båtformtagaren är inte på en drastiskt högre energi. Dessa konfigurationslandskap kan utforskas med 3D-tryckta cyklohexanmodeller, med stolsformaren bara att kunna lokalt vibrera medan båtens konformator smidigt kan undulate från ett par motsatta kolatomer till nästa.
Bild 6: Modellbeteende matchar beräkningar. I stols- och båtformad tillstånd kan den latitudinella förskjutningen av kolatomer om ringplanet under en molecular dynamics-beräkning projiceras på ytan av en omslutande sfär. Medan stolen formen är mest energiskt stabil, är det låst och kan bara interkonvertera till den inverterade formen genom att passera genom en hög energi övergångstillstånd. Både beräkningar och tryckt modellflexibilitet indikerar att båten och twist-båtformationer separeras med nära 1 kBT vid 298,15 K, vilket möjliggör nästan fri latitudinell förskjutning av kolatomer i denna form. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Tilläggstabell S1: Statliga punktfria energiuppskattningar. Klicka här för att ladda ner denna tabell.
Tilläggsfil 1. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Tilläggsfil 2. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Tilläggsfil 3. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Tilläggsfil 4. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Tilläggsfil 5. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Tilläggsfil 6. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Tilläggsfil 7. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Tilläggsfil 8. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Tilläggsfil 9. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Discussion
Det primära syftet med denna studie är att rapportera ett protokoll för tillverkning av dynamiska molekylära modeller med råvara 3D-skrivare. Dessa skrivare blir allt mer tillgängliga, ofta till och med gratis att använda på bibliotek, skolor och andra platser. Komma igång innebär att göra val om både modeller att skriva ut och material att använda och besluta från dessa alternativ kan kräva viss inspiration om vad kreativ additiv tillverkning kan göra för forskning och undervisning. För att lösa dessa problem ger vi några praktiska materialrekommendationer, föreslagna modelldelar, ett 3D-utskriftsprotokoll och ett exempelprogram, som var och en motiverar ytterligare diskussion.
Det finns många val av termoplast för användning i 3D-utskrift. Vi lyfter fram tre i det presenterade protokollet eftersom dessa tre material för närvarande är de mest tillgängliga för gör-det-själv 3D-utskrift. Valet kan bero på vilket material som stöds av en tillgänglig 3D-skrivare, till exempel många öppna anläggningar kommer bara att skriva ut med PLA på grund av miljöbegränsningar. PLA är ett biologiskt nedbrytbart och komposterbart material som har ett utskriftsprotokoll med milda temperaturinställningar. Både ABS och PETG är mindre miljövänliga och i allmänhet inte återvinningsbara, men PETG är baserad på mycket återvinningsbar polyetentereftalat (PET) och kan så småningom se bredare spridning upparbetning som PET. Hållbara tryckmetoder skulle innebära utskrift några delar i taget för att säkerställa både utskriftskvalitet och print framgång, detta samtidigt som man använder så lite kasserat material (stöd strukturer, flottar, sippra sköldar, etc.) som möjligt. PLA kan vara sprött, så om tillgängligt kan ABS och PETG termoplaster resultera i utskrifter som är mer mekaniskt motståndskraftiga och har förbättrad lagervidhäftning, respektive. Dessa egenskaper kan vara önskvärt för en interaktiv molekylär modell som kommer att se regelbunden manipulation i ett laboratorium eller klassrum inställning.
De modeller som presenteras här tar hänsyn till dessa överväganden, även om de först är konstruerade för att arbeta tillsammans för att möjliggöra dynamisk molekylär modellkonstruktion. På standardskalan samlas de framgångsrikt i interaktiva molekylära strukturer. De kan lätt skalas upp till stora modeller, men monteringen kommer att kräva mer kraft eftersom anslutningsstiften är mindre lätta att förvränga i större storlek. I krympande komponenter, en 50% minskning av storleken kommer fortfarande att arbeta med mindre ändringar, såsom krymper kolatom modellen till 48\u201249% samtidigt som bindning och väteatom på 50% för att möjliggöra snävare anslutningar mellan delar i PLA utskrifter. Modeller så här små är känsligare och kräver ofta flottstrukturer för att framgångsrikt skriva ut, men de är fortfarande funktionella som dynamiska molekylära modeller.
Det termoplastiska materialet och de valda modellerna att skriva ut är de två mest kritiska aspekterna av ett 3D-utskriftsprotokoll. Den valda termoplasten dikterar temperatur, vidhäftning, glödgning och efterbehandling överväganden och alternativ. Om den tillgängliga 3D-skrivaren inte har en uppvärmd säng är PLA det enda av de presenterade termoplastiska valen som kommer att skriva ut delar reproducerbart. Medan de medföljande delarna är utformade för att reproducerbart skriva ut med olika termoplaster och hålla upp till dynamisk manipulation, kommer utskrifter försämras med användning och spricka, ofta mellan utskriftslager, när de placeras under ökande stress. I sådana situationer är det enkelt och relativt kostnadseffektivt att skriva ut en reservdel.
Den dynamiska funktionaliteten hos molekylära sammansättningar som skrivs ut från de medföljande modellerna skiljer detta arbete från andra tillgängliga och 3D-utskrivbara modeller som främst framhäver anslutnings- och bindningstyper. De dynamiska aspekterna presenteras i liten del med exemplet cyclohexane struktur. Konfigurationen landskap av cyclohexane är direkt tillgänglig för hand med hjälp av dessa modeller, och topologier av dessa landskap är i allmänhet överens med beräkningsundersökningar. Mycket av detta kommer från en respekt för detaljerna i molekylär geometri och frihetsgrader i dessa fysiska modellering komponenter. I Linus Pauling kommentar om deras framgång i att upptäcka strukturen på α-helix1, hävdade de att deras samtida inför svårigheter som kommer från idealistiska integrerade antaganden och anta "... endast en grov approximation av kraven på interatomära avstånd, bindningsvinklar och planaritet hos den konjugerade amidgruppen, vilket framgår av våra undersökningar av enklare ämnen." Mer kvantitativ insikt i dessa linjer kräver mer specifika detaljer än de överväganden som tas för att bygga dessa modelldelar, men dessa modeller och rekommendationer utgör en grund för allmän interaktiv fysisk undersökning av molekylära system. Dessa modeller är en förlängning av 3D utskrivbara modell kit vi har producerat för forskning och uppsökande verksamhet under flera år före denna rapport, och ytterligare komponenter som är kompatibla med båda dessa modeller och det beskrivna protokollet finns tillgängliga från författarna för att möjliggöra mer varierande bindning arrangemang och dynamisk åtgärd.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes 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).
