微观系统的物理建模有助于获得难以通过其他方式获得的见解。为了促进物理分子模型的构建,我们演示了如何使用 3D 打印来组合功能宏观模型,以触觉方式捕获分子系统质量。
随着 3D 打印的可访问性的增长,在化学实验室和化学教育中对增材制造工艺的应用和兴趣也越来越大。基于分子系统物理建模的悠久而成功的历史,我们提出了精选模型以及一个协议,以促进分子结构的 3D 打印,这些结构能够完成的不仅仅是表示形状和连接性。如前所述组装的模型将动态方面和自由度合并到饱和碳氢化合物结构中。作为一个代表性的例子,环氧烷是由使用不同热塑性塑料印刷和完成的零件组装的,由此产生的模型保留了其在各种尺度上的功能。生成的结构显示与计算和文献一致的配置空间可访问性,这些结构的版本可用作说明难以用其他方式传达的概念的辅助工具。本练习使我们能够评估成功的打印方案,为装配提出实用建议,并概述分子系统物理建模的设计原则。所提供的结构、程序和结果为个人制造和探索分子结构和动态与3D打印提供了基础。
分子结构构建长期以来一直是发现和验证我们对分子形状和相互作用的理解的一个关键方面。物理模型构建是保林等人在蛋白质,中确定β-螺旋结构的一个激励方面,水2、3的主要层合水体结构以及沃森和克里克4的DNA双螺旋结构。在詹姆斯·沃森(James Watson)发表的DNA结构说明中,他详细介绍了这种模型建筑所面临的许多困难,如用铜线缠绕模型碳原子,制造磷原子,在机器车间5的锡切口上,在碱基上做纸板切口。模型构建中的这种斗争在很大程度上通过计算建模来增强或完全取代物理方法得到补救,尽管物理模型仍然是化学教育和实验,,6、7、8、9中的6,一个重要方面。8
自 2010 年左右以来,3D 打印作为创意设计和制造工具的采用率显著增长。这种增长是由一系列专注于技术广泛商业化的新公司的各种融合沉积建模 (FDM) 打印机的竞争和可用性推动的。随着可及性增加,这些技术在化学教育和实验实验室的应用也不断增加,包括10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21。,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21在此期间,3D 模型的商业和开放社区存储库(如 NIH 3D 打印 Exchange22)使 3D 打印模型系统更易于访问,尽管其中许多模型往往以特定目标分子为中心,并提供简单的静态结构,强调键连接和类型。更通用的原子和分子组可以实现更具创造性的结构12,23,,23并且需要模型,使一般结构创建与触觉,动态和力敏感反馈的分子结构。
在这里,我们介绍分子模型结构组件,这些成分可以方便地打印和组装,形成饱和烃的动态分子模型。组件结构是我们为实验室和大学推广和推广活动而开发的更广套件的一部分。所提供的零件经过精心设计,可与各种聚合物灯丝类型在商品 FDM 3D 打印机上打印。我们用单挤出机和双挤出机FDM打印机的不同聚合物和精加工技术呈现模型结果。这些组件是可扩展的,使模型制造适合在更大的讲座环境中进行个人调查和演示。
本报告的主要目的是帮助其他研究人员和教育工作者通过3D打印以更物理的方式翻译化学结构细节和知识。为此,我们通过不同比例的组装和操作环氧烷来突出一个示例应用。六成员环系统构象,是有机化学入门课程24的核心主题,这些构象是环和糖结构25、26、27,26反应的一个因素。印刷模型灵活采用钥匙环符合器24,可直接探索和手工定性评价环间通路所需的力。
本研究的主要目的是报告使用商品3D打印机制作动态分子模型的协议。这些打印机越来越方便,甚至经常免费在图书馆、学校和其他场所使用。入门涉及选择要打印的模型和要使用的材料,并据这些选项决定可能需要一些灵感,说明创意添加剂制造可以做什么研究和指导。为了解决这些问题,我们提供了一些实用的材料建议、建议的模型部件、3D 打印协议和示例应用程序,每个建议都值得进一步讨论。
热塑性塑料有许多用于 3D 打印的选择。我们在介绍的协议中重点介绍了三种材料,因为这三种材料是目前最广泛使用的 3D 打印材料。选择可能取决于可用的 3D 打印机支持的材料,例如,由于环境限制,许多开放访问设施只会使用 PLA 打印。PLA 是一种可生物降解和可堆肥的材料,具有具有温和温度设置的打印协议。ABS 和 PETG 都不太环保,一般不可回收,尽管 PETG 基于高度可回收的聚乙烯四邻苯二甲酸酯 (PET),最终可能会看到像 PET 一样更广泛的后处理。可持续的印刷方法将涉及一次打印几个零件,以确保打印质量和打印成功,这同时尽可能少地使用废弃的材料(支撑结构、木筏、渗出屏蔽等)。PLA 可以是脆的,因此,如果可用,ABS 和 PETG 热塑性塑料可分别产生具有更强机械弹性且具有改进层粘附性打印件。这些特性对于交互式分子模型是可取的,该模型将在实验室或教室环境中定期操作。
此处介绍的模型考虑了这些考虑因素,尽管它们最初是经过设计,能够协同工作,实现动态分子模型构建。在默认尺度上,它们将成功地组装成交互式分子结构。它们可以很容易地扩展到大型型号,但装配需要更大的力,因为连接爪在较大尺寸下不太容易变形。在收缩组件时,尺寸减少 50% 仍会稍作修改,例如将碳原子模型缩小到 48+u201249%,同时将键和氢原子保持 50%,以实现 PLA 打印件中部件之间的更紧密连接。这种小模型更精细,往往需要木筏结构才能成功打印,但它们仍然作为动态分子模型发挥作用。
热塑性材料和所选的打印型号是 3D 打印协议的两个最关键方面。所选的热塑性塑料将决定温度、粘附性、退火和精加工注意事项和选项。如果可用的 3D 打印机没有加热床,PLA 是唯一能够重现打印零件的热塑性塑料选择。虽然提供的部件设计为可重复打印与不同的热塑性塑料,并坚持动态操作,打印将下降使用和裂纹,往往在打印层之间,当放置在增加的压力。在这种情况下,打印更换部件非常简单且相对经济高效。
从提供的模型打印的分子组件的动态功能使此工作与其他主要突出连接和粘合类型的可用和 3D 可打印模型区分开来。动态方面以循环烷结构为例,使用这些模型可直接访问环氧烷的配置景观,这些景观的拓扑与计算调查一致。这主要源于对分子几何学细节的尊重,这些物理建模组件中的自由度。在利纳斯·保林关于他们成功地发现 α-螺旋1的结构的评论中,他们声称他们的同代人面临着来自理想主义整体假设和采用”…只是粗略地接近对结合的阿米德组原子间距离、粘结角度和平面性的要求,正如我们对简单物质的调查所给出的。与构建这些模型部分时考虑的考虑因素,这些模型和建议需要更具体的定量洞察,为分子系统的一般交互物理研究奠定了基础。这些模型是我们在本报告发布前几年来为研究和外联活动生产的 3D 可打印模型套件的扩展,作者提供了与这些模型和所述协议兼容的其他组件,以实现更加多样化的结合安排和动态操作。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了国家科学基金会(NSF)在赠款第1号的资助下的支持。CHE-1847583.
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. |