University of Helsinki
Kolmiulotteinen tulostus (3D-tulostus) tulostus on tekniikka, jolla voidaan luoda fyysinen kappale tietokoneella tehdystä virtuaalisesta mallista. Yleisin menetelmä perustuu termoplastisen muovin sulattamiseen ja uudelleenjähmettämiseen haluttuun muotoon.
Valitsin pro gradu –tutkielmani työkoneeksi kuitenkin stereolitografiaa hyödyntävän tulostimen, joka polymeroi nesteen tarkasti kohdennetun UV-valon avulla. Tulostin siis erilaisia molekyylimallien osasia, joista oppilaat voivat rakentaa erilaisia kiraalisia yhdisteitä. Tätä varten kehitin myös oppimateriaalin, jotta fyysisten molekyylimallien parhaat puolet tulisivat hyödynnettyä. Kirjallisuusanalyysin perusteella oppilailla on tyypillisesti haasteita molekyylien kolmiulotteisen rakenteen hahmottamisessa, jota tukemaan pyrin keksimään aihetta mahdollisimman hyvin tukevia tehtäviä.
Kehittämäni menetelmän avulla virtuaalisista molekyylimalleista pystytään rakentamaan visuaalisia ja tarkkoja fyysisiä malleja – erityisesti molekyyligeometrialtaan paremmin laskennallisia mittasuhteita vastaavia molekyylejä kuin perinteisillä koottavilla molekyyliseteillä. Alla olevassa kuvassa on tulostamanani molekyylimallisetti, jossa on omat liitospalikat eri atomien välisille sidoksille ja atomit on väritetty kynsilakoilla vastaavin värein kuin esimerkiksi molekyylimallinnusohjelmistoissa.
Kuvan molekyylimallisetillä voidaan rakentaa kiraaliseen yhdisteeseen funktionaalisia ryhmiä, halogeeniryhmiä ja poolittomia hiilivetyketjuja. Tutkimuksessani kolmiulotteista hahmottamiskykyä haastettiin mm. allaolevalla tehtävällä. Tämänkaltaisissa tehtävissä tutkittavan ryhmän opiskelijat hyödynsivät aktiivisesti ja monipuolisesti kehittämääni molekyylimallisettiä.
Tutkimukseni perusteella 3D-tulostuksen avulla voidaan tuottaa tarkkoja ja toimivia molekyylimalleja, mutta itse tulostusprosessiin liittyy haasteita; tulostamisen hitaus, molekyylimallien tuottamisen työläys ja tietyt tulostusprosessiin liittyvät turvallisuusriskit. Kolmiulotteisella tulostuksella on kuitenkin kemian opetuksen lisäksi paljon potentiaalia muussakin opetuskäytössä, jota varten tarvitaan lisää toimivia ja tarkoituksenmukaisia oppimateriaaleja.
Tutustu koko tutkimukseen tästä.
Teksti ja kuvat: Tapio Rajala