Modelos moleculares e impressão 3D

por Alfredo Mateus

Já escrevemos sobre modelos moleculares quando apresentamos nosso conjunto de baixo custo, feito com o corte a laser, que você encontra aqui. Neste artigo vamos falar sobre modelos feitos com a impressão 3D. E vamos usar como exemplos as várias formas do elemento carbono. 

Quando eu penso em fazer algo usando a impressão 3D, a minha primeira reação é procurar online para ver os modelos que já existem. Parte do que eu vou contar da minha jornada para aprender a produzir estes modelos vem do fato de que eu não encontrei bons modelos já prontos.

MODELO DO GRAFENO E DO GRAFITE

Olhando no maior repositório de arquivos para impressão 3D na internet, o Thingiverse, eu não encontrei um bom modelo para o grafite ou para o grafeno. O principal problema dos modelos é que eles dependem do uso de suportes para a impressão. Suportes são usados toda vez que precisamos imprimir algo que não possui um apoio. A impressora não consegue colocar o plástico flutuando no ar. Se não há um apoio, ele vai se deformar e a impressão não vai sair do jeito que você quer. O problema de colocar suportes é que dá um enorme trabalho removê-los depois, ou eles podem deixar marcas no objeto que você terá de lixar para dar acabamento. Ou seja, suportes = mais trabalho após a impressão. 

No caso do grafite, temos uma estrutura em camadas. As camadas superiores acabam ficando sem sustentação e precisam de uma grande quantidade de suportes todos entremeados na peça. Mas não precisava ser assim. Eu já estava planejando fazer um modelo do grafeno, que seria apenas uma camada de grafite. Então me veio a ideia de imprimir três camadas de grafeno e conectá-las para fazer o modelo do grafite. Então tudo começa com a impressão de um modelo de grafeno. 

Para criar esse modelo, eu comecei procurando um arquivo no formato usado para modelos 3D de moléculas: o .pdb. PDB é o formato dos bancos de dados de proteínas (pdb = protein database). Não encontrei um modelo nesse formato, então passei para o plano B: encontrar um arquivo no formato .mol. Achei o modelo no formato .mol no site  https://www.ebi.ac.uk/chebi/searchId.do?chebiId=36973. Após o download, abri o arquivo no programa Avogadro. O Avogadro é um programa gratuito para visualização de moléculas em 3D (você pode fazer o download aqui). Embora o Avogadro não tenha a opção de salvar o modelo em um formato para impressão 3D, ele consegue salvar o arquivo no formato .pdb. Agora estamos avançando. De posse do arquivo .pdb, podemos usar um outro programa para gerar o arquivo que a impressora entende. Vamos usar o Chimera (que também é gratuito, download aqui). Abrimos o arquivo PDB no Chimera e usamos “File > Export Scene” para salvar no formato STL. Pronto, esse arquivo pode ser impresso em qualquer impressora 3D. 

Apesar de parecer trabalhoso, essa sequência foi bem simples, e consegui aprender os passos para transformar arquivos .MOL (que são muito comuns e existem para um monte de moléculas famosas) em arquivos .STL para impressão. Veja as imagens abaixo para mais detalhes do processo.

Baixe os modelos do grafite e do grafeno em .STL para impressão 3D aqui:  https://www.thingiverse.com/thing:4123073

CRIANDO O MODELO DO GRAFENO


Avogadro


Chimera


Salvando como .STL


Na impressora 3D


O modelo pronto

Quando colocamos planos de grafeno, uns sobre os outros, podemos criar um modelo para o grafite. Para isso, criei no TinkerCAD separadores que se encaixam nos planos e mantêm a distância correta entre eles. 

É interessante ver como as propriedades físicas macroscópicas do grafite se relacionam com essa estrutura microscópica. 

Outro detalhe importante que muitas vezes passa despercebido é que o material que se usa para fazer os lápis de escrever não é grafite puro. Para criar a barra de”grafite” que é usada em lápis e lapiseiras, o grafite é misturado com argila. É por isso que podemos ter lápis de diferentes tipos, conforme o teor de grafite (por exemplo, lápis 2B, 4B, 6B, HB, etc.). Quanto mais grafite, mais “mole” vai ser a barra e mais escuro vai ser o traço do lápis.

MODELO DO GRAFITE


Visão por cima do modelo


Visão lateral do modelo


Modelo do grafite com três camadas

MODELO DE UM FULERENO

Os fulerenos são moléculas formadas exclusivamente de átomos de carbono. Outro requisito para um fulereno é que a sua estrutura, que contém ligações simples e duplas, deve ser fechada. Um dos exemplares mais famosos é o C60, o chamado buckmisterfulereno, em homenagem ao arquiteto Buckminster Fuller, que popularizou o uso de estruturas geodésicas similares. De acordo com a Wikipedia:

O representante mais conhecido e estável da família dos fulerenos é o C60: 60 átomos de carbono dispostos na forma de um icosaedro truncado de simetria Ih, com um diâmetro de aproximadamente 1 nanómetro. A sua forma é a de uma cúpula geodésica composta por 20 hexágonos e 12 pentágonos, com um carbono em cada vértice. Os hexágonos mantém a planaridade (como na grafite, que é plano por apresentar somente hexágonos) enquanto que cada pentágono inicia um ângulo de curvatura, sendo necessários 12 pentágonos para fechar a superfície sobre si mesma, formando uma bola.
wikipedia

Eu encontrei no Thingiverse um modelo de C60 que imprimiu muito bem, mesmo sem suportes.  Uma questão que se deve levar em conta, no entanto, é com o tamanho do modelo. Quando se coloca o modelo no programa que “fatia” e prepara para a impressão 3D, existe a opção de se alterar a escala do modelo. Como dá para se ver na imagem abaixo, quando a impressora está fazendo as primeiras camadas das linhas horizontais dos hexágonos, o plástico está sendo colocano no ar, sem suporte. Para uma distância pequena, que depende da sua impressora, não há problema algum. O plástico esfria rapidamente e fica sólido, não se deformando. Mas se você aumentar muito essa distância, é possível que o plástico não consiga suportar o peso da linha e se entorte antes de endurecer completamente. 

modelo do fulereno

MODELO DO NANOTUBO DE CARBONO

Nanotubos de carbonos, como os fulerenos, se referem a uma classe de substâncias com muitos membros. Como os fulerenos, eles tiveram uma descoberta relativamente recente e vêm sendo estudados extensivamente por suas propriedades e aplicações. 

O alótropo do carbono que traz o prefixo “nano” no seu DNA tem sua estrutura que pode ser compreendida como resultante do enrolamento de uma folha de grafeno, formando tubos ocos com diâmetros de alguns poucos nanômetros e comprimentos que podem chegar a milímetros…
Aldo Zarbin, no livro Carbono (2019)

Nós encontramos um modelo no Thingiverse que se assemelhava aos outros da coleção e que imprimiu razoavelmente bem. Este modelo pode ser encontrado aqui (imagem dele impresso abaixo). Mas, eu achei interessante explorar o caminho para criar meus próprios modelos de nanotubos, da mesma forma que o grafeno.

Modelo do nanotubo de carbono

O programa Avogadro possui um gerador de nanotubos. Nele você pode inserir os parâmetros e gerar a estrutura. O parâmetro Lenght (comprimento) determina o comprimento em várias unidades ou pelo número de unidades periódicas. Os parâmetros n e m determinam o tipo de nanotubo. Em seguida, você precisa salvar o modelo como .pdb, abrir no Chimera e salvar como .stl, para finalmente imprimir, como fizemos no caso do grafeno. Um detalhe importante na hora de imprimir é garantir que o modelo vai ter uma boa fixação na mesa de impressão. Uma boa maneira de garantir isso é usar a opção “brim” no programa que fatia o modelo.

Você encontra o meu modelo de nanotubo de carbono 666 no Thingiverse:  https://www.thingiverse.com/thing:4121253




FINALMENTES

Os alótropos de carbono são apenas alguns exemplos de modelos moleculares que podem ser feitos usando a impressão 3D. Se por um lado estes modelos ficam estáticos, não podendo ser desmontados e modificados, por outro eles podem ser criados em um tamanho muito menor e mais fácil de manipular do que usando modelos comerciais. Além disso, se todo ano você usa estes modelos nas suas aulas, faz sentido ter uma coleção já pronta para uso, ao invés de ter de montar os exemplos do zero. 

Se você quer saber mais sobre os alótropos de carbono, uma ótima referência é o livro “Carbono”, escrito por Aldo Zarbin e publicado pela Sociedade Brasileira de Química no Ano Internacional da Tabela Periódica. O PDF está disponível aqui: http://quid.sbq.org.br/wp-content/uploads/2019/05/SBQ-Cole%C3%A7%C3%A3o-Celebrando-a-Qu%C3%ADmica-vol11-carbono-FINAL-correto.pdf

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