顕微鏡システムの物理モデリングは、他の手段では得ることが困難な洞察を得るのに役立ちます。物理的な分子モデルの構築を容易にするために、3Dプリンティングを使用して、分子系の質を触覚的に捉える機能的な巨視的モデルを組み立てる方法を実証します。
3Dプリンティングのアクセシビリティの拡大に伴い、化学研究所や化学教育におけるアディティブ製造プロセスへの応用と関心が高まっています。分子系の物理モデリングの長く成功した歴史に基づいて、形状や接続性を表す以上のことを行うことができる分子構造の3Dプリンティングを容易にするプロトコルとともに、選択したモデルを提示します。記述されたように組み立てられたモデルは、飽和炭化水素構造に動的な側面と自由度を組み込んでいます。代表的な例として、シクロヘキサンは、異なる熱可塑性樹脂を使用して印刷され、完成した部品から組み立てられ、結果のモデルはさまざまなスケールで機能を保持しています。結果の構造は、計算や文献と一致する構成空間のアクセシビリティを示し、これらの構造のバージョンは、他の方法で伝えるのが難しい概念を説明するための補助として使用することができます。この演習では、成功した印刷プロトコルを評価し、組み立てに関する実用的な推奨事項を作成し、分子系の物理モデリングの設計原則を概説することができます。提供された構造、手順および結果は、3Dプリンティングによる分子構造とダイナミクスの個々の製造および探査のための基礎を提供します。
分子構造構築は、分子の形状と相互作用に関する理解を発見し検証するための重要な側面として長い間重要な側面でした。物理モデル構築は、Paulingららによるタンパク質中のα-らせん構造の決定における動機付けの側面であったが、水,2、3、およびワトソンとクリック4によるDNAの一次クラスレートハイドレート構造とを有する。2ジェームズ・ワトソンのDNA構造の公表された説明では、リン原子を作るためにモデルの炭素原子の周りに銅線を巻き付け、原子の不安定な繊細な懸濁液を作り、機械店5からスズの切り抜きを待っている間にベースの段ボールの切り抜きを作るなど、このようなモデル構築で直面する苦労の多くを詳述しています。このようなモデル構築における苦労は、物理的なモデルが物理アプローチを増強または完全に取り替える計算モデリングで大部分を改善してきましたが、物理モデルは化学教育と実験66、7、8、97,8,9において依然として不可欠な側面です。
2010年頃から、3Dプリンティングは、クリエイティブなデザインと製造のツールとして採用が大幅に増加しています。この成長は、技術の広範な商業化に焦点を当てた一連の新しい企業からの様々な融合堆積モデリング(FDM)プリンタの競争と可用性によって駆動されています。アクセシビリティの向上に伴い、化学教育および実験実験室,の設定,,,,,,,10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21でこれらの技術の応用が同時に増加しています。10,11,1220,2113141516171819この間、NIH 3D Print Exchange22などの 3D モデルの商業用およびオープンなコミュニティ リポジトリは、3D 印刷用のモデル システムをよりアクセスしやすくしましたが、これらのモデルの多くは特定のターゲット分子を中心に配置され、結合接続性とタイプに重点を置いた単純な静的構造を提供する傾向があります。より一般的な原子および分子群は、より創造的な構造を可能にする12、23、,23および分子構造のための触覚、動的、および力の敏感なフィードバックを用いて一般的な構造の作成を可能にすることができるモデルの必要性がある。
ここでは、飽和炭化水素の動的分子モデルを形成するために容易に印刷および組み立てることができる分子モデル構造成分を提示する。コンポーネント構造は、私たちの研究室や大学のための拡張とアウトリーチ活動のために開発したより広いキットの一部です。提供される部品は、商品FDM 3Dプリンタ上で様々なポリマーフィラメントタイプで印刷できるように設計されています。シングルおよびデュアル押出機FDMプリンタの異なるポリマーと仕上げ技術を用いてモデル結果を提示します。これらのコンポーネントはスケーラブルで、より大きな講義設定での個人調査とデモンストレーションの両方に適したモデル製造を可能にします。
本報告書の主な目的は、他の研究者や教育者が化学構造の詳細や知識をより物理的な方法で3Dプリンティングで翻訳するのを支援することです。この目的のために、シクロヘキサンを異なるスケールで組み立てて操作することで、アプリケーションの例を強調します。6メンバーのリングシステムの立体構造は、導入的な有機化学コース24の中心的なトピックであり、これらの適合者は、環および糖構造25、26、27,26,27の反応性の要因である。印刷されたモデルは、鍵リング適合者24を柔軟に採用し、リング相互変換経路に必要な力を直接探索し、手で定性的に評価することができる。
本研究の主な目的は、コモディティ3Dプリンタを用いた動的分子モデルの作り上げのプロトコルを報告することである。これらのプリンタは、図書館、学校、その他の会場でも自由に利用できるようになっています。はじめに、印刷するモデルと使用する材料の両方に関する選択を行い、これらのオプションから決定するには、創造的なアディティブマニュファクチャリングが研究と指導に何ができるかについて、いくつかのインスピレーションが必要な場合があります。これらの問題に対処するために、我々はいくつかの実用的な材料の推奨事項、提案されたモデル部品、3D印刷プロトコル、および各々のさらなる議論を保証するサンプルアプリケーションを提供する。
3D印刷で使用するための熱可塑性の多くの選択肢があります。この3つの資料は現在、日曜大工の3D印刷に最も広く利用可能なプロトコルの3つを強調しています。選択は、利用可能な3Dプリンタでサポートされている材料に依存する可能性があります、例えば、多くのオープンアクセス施設は、環境上の制約のためにPLAでのみ印刷されます。PLAは、穏やかな温度設定を備えた印刷プロトコルを有する生分解性および堆肥化可能な材料である。ABSとPETGの両方は環境に優しくなく、一般的にリサイクルできませんが、PETGはリサイクル性の高いポリエチレンテレフタレート(PET)に基づいており、最終的にはPETのような広いスプレッド再処理が見られます。持続可能な印刷の実践は、印刷品質と印刷の成功の両方を確保するために一度に少数の部品を印刷することを含み、これはできるだけ少ない廃棄された材料(サポート構造、いかだ、にじみ出る盾など)を使用します。PLAは脆くすることができるので、利用可能であれば、ABSとPETG熱可塑性プラスチックは、より機械的に弾力性があり、層密着性が向上したプリントをもたらす可能性があります。これらの特性は、実験室や教室の設定で定期的な操作を見るインタラクティブな分子モデルに望ましい可能性があります。
ここで示すモデルは、これらの考慮事項を考慮に入れますが、まず動的分子モデルの構築を可能にするために協力するように設計されています。デフォルトのスケールでは、インタラクティブな分子構造にうまく組み立てられます。これらは、大きなモデルに容易にスケールアップすることができますが、接続プロングは大きなサイズで歪むのが簡単ではないため、アセンブリはより多くの力を必要とします。部品の縮小では、炭素原子モデルを48\u201249%に縮小しながら、結合と水素原子を50%に保ち、PLAプリント内の部品間の接続を緊密に保つなど、サイズの50%の縮小が行われます。この小さなモデルはより繊細で、多くの場合、正常に印刷するためにいかだの構造を必要としますが、彼らはまだ動的な分子モデルとして機能しています。
熱可塑性材料と印刷するモデルは、3D 印刷プロトコルの 2 つの最も重要な側面です。選択された熱可塑性は温度、密着性、アニーリング、および仕上げの考慮事項およびオプションを決定する。利用可能な3Dプリンタに加熱されたベッドがない場合、PLAは部品を再現的に印刷する提示された熱可塑性の選択肢の唯一のものです。提供された部品は、異なる熱可塑性樹脂で再現的に印刷し、動的操作に耐えるように設計されていますが、プリントは、多くの場合、ストレスの増加の下に置かれると、使用と亀裂、印刷層の間で劣化します。このような状況では、交換部品を印刷することは容易で比較的費用対効果が高い。
提供されたモデルから印刷された分子アセンブリの動的な機能は、主に接続性とボンディングタイプを強調する他の利用可能な3D印刷可能モデルとは異なります。動的なアスペクトは、例えばシクロヘキサン構造と小さな部分で提示されます。シクロヘキサンの構成風景は、これらのモデルを使用して手で直接アクセス可能であり、これらの風景のトポロジは、計算調査と一般的に一致しています。この多くは、これらの物理モデリングコンポーネントにおける分子幾何学と自由度の詳細を尊重することから来ています。ライナス・ポーリングの、α-helix1の構造を発見した成功に関する解説の中で、彼らは同時代人が理想主義的な積分的仮定から来る困難に直面し、採用する困難に直面していると主張しました。より単純な物質の調査によって与えられたように、結合アミド群の間距離、結合角度、および平面性に関する要件に対する大まかな近似に過ぎません。これらの線に沿ったより定量的な洞察は、これらのモデル部品を構築する際に考慮するよりも詳細な情報を必要としますが、これらのモデルと推奨事項は、分子系の一般的なインタラクティブな物理的調査の基礎を提供します。これらのモデルは、このレポートの数年前から研究とアウトリーチ活動のために生産してきた3Dプリント可能モデルキットの拡張であり、これらのモデルと記載されたプロトコルの両方と互換性のある追加のコンポーネントパーツは、著者から入手して、より多様なボンディングの取り決めと動的アクションを可能にします。
The authors have nothing to disclose.
この研究は、グラントNo.の下で国立科学財団(NSF)によって支援されました。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. |