Состав смеси для лего кирпича: Состав Лего кирпича, смесь для Лего кирпича

Все о лего-кирпиче: производство, состав смеси, цена.

Лего кирпич – абсолютная новинка на рынке строительных материалов. Еще из названия можно понять о том, что форма изделия похожа на детали известного во всем мире конструктора Lego. Как просто ребенок собирает этот конструктор, также и Вы с применением лего кирпича можете построить дом. Само изделие представляет собой блок прямоугольной формы, в котором присутствует 2 вертикальных соосных отверстия, верхняя часто которых выступает над основной поверхностью.

 

В результате этого, при формировании кладки одного кирпича на другой, отверстия верхнего ряда кирпича плотно входит в отверстия нижнего ряда. Следует также учесть, что при работе используется не привычный цементный раствор, а специальный клей. Новинка индустрии!

• Объем бетона — 1,6 дм3
• Пустотность — 23%
• Масса камня — 3,3 кг
• Расчетная плотность — 2,1 кг/дм3

Что необходимо для производства лего-кирпича?

Производство лего кирпича основывается на технологии гипперпрессования и не только полностью включает в себя все её преимущества, но и выделяется своей большей экономичностью. Любое производство начинается с оборудования. В первую очередь необходимо приобрести станок для лего кирпича. В продаже Вы можете встретить станки как российского производства, так и зарубежного. Отметим для Вас тот факт, что в процессе работы матрица, которая формирует изделие, имеет постоянный износ и её замена в оборудовании российских производителей будет ощутима дешевле. В процессе работы по производству лего кирпича станок должен обеспечивать равномерное распределение смеси при вибропрессовании. Такое распределение гарантирует вибропресс Кондор,  позволяющий получать оптимальный структурный состав блоков, при сохранении низкой себестоимости.

Оборудование для производства лего-кирпича

Стоит отметить тот факт, что цена оборудования для лего кирпича не высока и соизмерима с покупкой автомобиля среднего класса, при этом потребность рынка в материале очень высока, что позволит обеспечить быструю окупаемость вложенных средств и высокий рост доходов.

Оборудование для лего кирпича обеспечивает высокую производительность, которая может достигать порядка 1600 штук за одну смену. Дополнительным оборудованием при производстве может служить миксер, который позволит без лишних трудозатрат изготавливать рабочую смесь.

Из чего изготавливать?

Состав смеси для лего кирпича может изменяться в широких пределах и в первую очередь зависит от доступности на местном уровне наполнителя, который составляет порядка 85% от общего объема. Такими наполнителями могут служит песок, глину, известь, отсев щебня и отходы от каменоломни. Подбирая состав смеси следует учитывать сферу применения готовых блоков и климатический пояс, в котором они будут использоваться. Так глина достаточно сильно снижает морозоустойчивость изделия.

Примерный рецепт лего кирпича, на 1 кубический метр смеси:

Наименование	Масса, в кг	Для одного кирпича, в кг
Цемент М400 Д20	315	0,53
Щебень	690	1,15
Песок	825	1,38
Вода	92	0,15

Цвет лего кирпича

В России наиболее популярен натуральный цвет лего кирпича серых тонов. Однако, в строительстве домов все чаще и чаще используют комбинированные  цвета. Из-за этого спрос на цветной лего кирпич растет с каждым годом. Цвет кирпича  зависит от материала который входит в его состав. Так например красные тона придает глина, известняк — белые тона, песок — бежевые оттенки. Единственный недостаток использования натуральных красителей это бледность тонов, для того что бы придать камню более яркий цвет используют пигменты. Иногда их распределят не равномерно в структуре кирпича, что придает естественный окрас натурального камня.

На фото вы можете увидеть насколько разнообразна цветовая палитра лего кирпича.

Как укладывать?

Уникальная форма блоков с выступающими пазами и применение специального клея при создании кладки позволяет без применения специальных знаний и опыта обеспечить идеально ровную поверхность без дополнительного оштукатуривания. При кладке используется широко распространённый клей для наружных (фасадных) работ.

Средний расход клеевой смеси составляет 50кг на 1000 блоков.

  

Вопросы ответы — не очевидные нюансы производства

Мы продолжаем рассказывать Вам о производстве гиперпрессованного кирпича и производить станки линии для изготовления кирпича.

В прошлом письме я рассказал Вам о том, какое оборудование входит в состав линии по производству кирпича.

Сегодня тема – вопросы и ответы – Вы спрашиваете – мы отвечаем! За время работы у нас накопились дельные вопросы и квалифицированные ответы.

1. Смеси. Рецепты.

 Вопросов много было про рецепты и составы смеси. Уточняем информацию для Вас. При продаже и комплектации линии или продаже станка – всегда консультируем по сырью и составу смеси, можем произвести и пробные образцы в Вашем присутствии.

А) Нет универсального рецепта – который подойдет всем.

Сильное преимущество производства гиперпрессованного кирпича – его «подстраиваемость» под уже имеющееся в вашем регионе недорогое сырье.

Недорогое сырье – низкая цена производства – больше выгоды при продаже. Зачастую используют то сырье, которое «никому не нужно» – и отсюда купить его можно совсем недорого. Технология гиперпрессования позволяет получить из ничего – качественный и прочный строительный материал. Не нужно привозить «за три моря» специальный инертный заполнитель – нужно использовать то, что есть у вас рядом!

Мы рекомендуем состав на который следует опираться при расчете экономических показателей:

• Заполнитель – 75-
• Цемент – 7-18 %
• Вода – 7-13%

Заполнители ( известковый отсев, тырса, песок, мелкий щебень и т.д.) занимают до 80-85% объема смеси и образуют его жесткий скелет, препятствующий усадке.

Разные заполнители имеют разные свойства – отсюда вы можете получать кирпичи с разными свойствами, например: плотные и прочные или легкие с высокими теплоизоляционными свойствами. Вот вам еще одна идея для получения самого разнообразного ассортимента выпускаемой продукции.

Б) Хитрости о воде!

 Для приготовления смеси используют питьевую или природную воду, не содержащую вредных примесей, препятствующих нормальному схватыванию и твердению бетона. Обратите внимание – вода должна быть чистой! Загрязненная вода может привести к образованию пятен на поверхности готового изделия.

Какие примеси нужно отслеживать – сульфаты, минеральные и органические кислоты, жиры, сахар т.д. Использовать промышленные, сточные, солончаковые и болотные воды нельзя. Если у Вас есть подозрения на счет качества воды – можно уточнить у арендодателя или собственника Вашего помещения данные о водоснабжении помещения или провести лабораторный химический анализ. Также можно порекомендовать вести сравнительное испытание образцов на прочность.

В) Вода – важна температура

Смесь для гиперпрессования содержит воду – которая обеспечивает и растворение и правильную «работу» всех компонентов смеси. Температура воды очень важна! Общие рекомендации – температура не должна быть ниже +15°С, поскольку снижение температуры ведет к увеличению времени схватывания.

Г) Химические добавки. Катализаторы для ваших смесей!

Могут применяться для снижения расхода цемента в смеси, увеличения или уменьшения скорости его схватывания, сокращения продолжительности обработки изделий, придания изделию способности набирать прочность в зимнее время, повышения его прочности и морозостойкости.

Т.е. добавки помогут вам скомпенсировать % компонентов смеси, добавить иные нужные качества для кирпича. Подбираются индивидуально, в зависимости от вашего исходного заполнителя и требуемых качеств получаемого кирпича. Опять же добавки помогут вам разнообразить выпускаемый вами ассортимент кирпича.

Мы настоятельно рекомендуем изначально подобрать технологию без добавок, и только затем поэтапно пробовать новые комбинации.

Еще раз акцентирую – мы знаем производство кирпича и всегда помогаем нашим клиентам. Мы даем индивидуальные рекомендации по добавкам, изготавливаем пробные партии кирпичей для проверки имеющихся у наших клиентов типов сырья.

2. Сколько этажей можно построить из «лего» кирпича?

Прочность гипепрессованного кирпича до марки прочности М300 позволяет успешно использовать его в строительстве многоэтажных домов.

3. Водопоглощение – что дает крипичу?

Плюс кирпича – низкое водопоглощение. Оно составляет всего 5-6 процентов, что делает данный материал стойким и соответственно пригодным для использования в регионах с влажным климатом. Низкое поглощение воды делает кирпич и долговечным – т.к он не поддается разрушению при перепадах температуры и образовании льда. Материал может выдерживать две сотни циклов заморозки и оттаивания.

4. А какие нюансы по строительству из гиперпрессованного кирпича?

• После кладки стена может эксплуатироваться без дальнейшей внешней отделки дома.
• Скорость кладки данного строительного блока в несколько раз выше, чем у обычного кирпича – высокая точность размеров кирпича.
• Кладка ведется на клеевой раствор – примерно на 500 кирпичей нужно около 25 кг клея.
• Может использоваться для заборных столбов!
• Станки для изготовления данных строительных материалов весьма компактны, поэтому изготовить данный вид кирпича можно непосредственно на месте проведения работ.

5. Интересные свойства отверстий кирпича.

 Наличие отверстий в кирпиче позволяет их использовать эффективнее, чем обычный кирпич! Например:

• Полости внутри материала позволяют осуществлять простую прокладку проводки.
• Обустройства заборных столбов и можно обойтись даже без клея. Все, что нужно – выложить 5-6 рядов, и в образовавшееся в центре пространство залить бетон, предварительно вставив туда прочную арматуру. Процесс чем-то напоминает создание каменного забора, но без опалубки и происходящий куда быстрее.
• Отверстия могут использоваться для армирования.
• Отверстия снижают теплопроводность за счет наличия воздушных карманов. Поэтому при одинаковой толщине кладки, стена из лего кирпича будет теплее.
• Использовать в качестве несъемной опалубки при монолитном строительстве. Для этого необходимо уложить два слоя кладки на расстоянии друг от друга. В это расстояние помещается металлическая арматура, после чего происходит заливка бетонной смеси. В итоге мы получаем стену с высокими прочностными и визуальными характеристиками.

6. Ассортимент

 Большое разнообразие пресс-форм позволяет выпускать продукцию разных видов. Именно разнообразие форм и возможность с помощью одного пресса предложить клиентам большой ассортимент изделий по видам и расцветкам, и привлекает клиентов строить именно из вашего кирпича.

Замена пресс форм происходит за 20 минут, т.е. вы в любой момент оперативно сможете начать изготавливать следующий заказ. С помощью дополнительного оборудования – пресс-колун, система для состаривания, вы сможете предложить кирпич которого нет в продаже у других кирпичных заводов.

Следующий этап строительства у большинства – благоустройство. Здесь вы сможете предложить брусчатку, которую так же можно производить на нашем оборудовании.

С помощью автоматической системы для мраморного окрашивания вы определенно займете свою нишу в кирпичном бизнесе своего региона. «Мраморный» кирпич интересен не только при строительстве, но и весьма востребован во внутренней отделки коммерческих и жилых помещений.

7. Сколько места занимает линия производства – какая нужна площадь помещения

 Мини Линия в длину 3.8 м. – т.е достаточно даже гаража или небольшого помещения.

Линии Старт, Стандарт – сама линия разместится на 50-60 кв.м + склад готовой продукции , рекомендуем подобрать помещение 150-200 кв м

Линия Макси – линия 70-80 кв.м. + склад – нужно помещение от 200 кв.м.

8. Сертификаты нужно или нет?

Лего-кирпич изготавливается в нашей стране с 2014 года. При его изготовлении производители ориентируются на требования ГОСТ 6133-99 «Камни бетонные стеновые» или индивидуальные ТУ.

Чтобы составить достойную конкуренцию производителям традиционных стеновых стройматериалов, мы рекомендуем вам пройти процедуру сертификации и получить документы о соответствии требованиям. С нашей стороны – помогаем и консультируем по вопросам подготовки документов для сертификации.

9. Экскурсии на производство – можно ли приехать посмотреть?

На Заводе Профтехмаш действует цех по производству кирпича для собственных нужд, а также для тестирования оборудования перед отгрузкой. В этом цехе, который расположен в городе Новосибирск, Вы всегда можете увидеть в действии оборудование. Для того, чтобы увидеть оборудование в работе, Вам необходимо согласовать с нашими менеджерами день и время прибытия в город.

Также в этом цехе Вы сможете ознакомиться с технологией производства, а также попробовать изготовить кирпич из Ваших компонентов. Изготовление кирпича из Ваших компонентов и прочее согласовываются с нашими менеджерами заранее.

 

Лего кирпич: характеристики материала и варианты использования

Внешне этот кирпич очень похож на детский конструктор

Наряду с керамическим и силикатным, гиперпрессованный кирпич уже стал привычным явлением на рынке строительных материалов. А вот его родной брат лего-кирпич – это новинка, стремительно завоевывающая популярность.

Она объясняется доступной ценой и его особыми характеристиками, о которых и пойдет речь в этой статье.

Особенности материала

Изготавливаются кирпичи методом прессования и пропаривания. Благодаря специальной конструкции пресс-форм, лего кирпичи получают сквозные отверстия и пазы для сцепления друг с другом.

Из чего производится

Сырьем для производства таких кирпичей могут служить даже измельченные строительные отходы: старый кирпич, бетон, глина. Но для получения качественного материала используют отходы дробления щебня и известняковых пород камня – так называемый отсев.

Также в состав лего кирпича могут входить песок, вулканическая пыль, пластифицирующие добавки и пигменты. В качестве связующего вещества добавляют цемент высокой марки.

Обратите внимание! Компоненты и их пропорции у разных производителей могут отличаться, поэтому и характеристики материала будут разными.

При покупке необходимо изучить документы о составе и испытаниях материала на соответствие основным параметрам.

Для примера приведу состав смеси, используемой для изготовления стандартных лего кирпичей:

Технические характеристики

Сухие цифры человеку, несведущему в строительных материалах, ничего не скажут. Поэтому давайте сравним гиперпрессованный кирпич лего с более известным и привычным керамическим кирпичом. Его прочность и долговечность на бытовом уровне известна всем.

Параметры	Керамический кирпич	Кирпич лего
Плотность	1600-1900 кг/м3	1550 кг/м3
Марка прочности	М150	М150
Водопоглощение	14%	5,5%
Морозостойкость	35-40 циклов	35-40 циклов
Вес	4 кг	3 кг

Как видите, характеристики вполне сопоставимы. Но наш кирпич легче и меньше впитывает воду.

Теплопроводность у гиперпрессованных изделий выше, а это значит, что они хуже удерживают тепло. Но наличие отверстий, в которых после возведения постройки запечатывается воздух, снижает этот показатель до 0,4-0,56 Вт/(м·К). Что сравнимо с аналогичными характеристиками пустотелого керамического кирпича.

Что касается размеров, то габариты у лего-изделий стандартные:

Размеры кирпича лего

Но при желании можно найти и большие кирпичи лего либо заказать их изготовление.

Достоинства и преимущества перед аналогичными материалами

К главным преимуществам этого кирпича перед подобными, являются его конструктивные особенности. Недаром он получил такое название, однозначно ассоциирующееся с популярным детским конструктором.

Принцип сборки у лего кирпича и конструктора один и тот же

Итак, какие же преимущества дает эта конструкция:

• Простота сборки за счет наличия пазов и идеальной геометрии каждого изделия. Кирпичи формуются прессом в матрицах, поэтому все они совершенно идентичны. Сложить стену или перегородку легко своими руками, экономя на найме каменщика.

Выравнивать кладку не придется – за счет пазогребневого соединения детали ложатся ровно

• Отверстия в кирпиче можно использовать как для прокладки труб, проводов и прочих коммуникаций, так и для придания жесткости конструкции. В них заливается бетон, который, застывая, связывает все ряды.

На фото показан пример использования отверстий

• Для кладки не нужен цементный раствор – она ведется при помощи клея. Он наносится строительным пистолетом, как показано на следующем фото. В результате не требуется расшивка швов, что экономит время и затраты на большое количество раствора. А общий вид кладки выигрывает за счет ровных швов и наличия скошенной фаски на каждом изделии.

Нанесение клея

Обратите внимание. Таким способом собираются легкие постройки в кирпич или полкирпича. Строительство дома ведется по другой технологии, о которой чуть ниже.

Перейдем к внешним достоинствам. Они тоже очевидны. Кроме того, что все кирпичи, как детали качественного конструктора, имеют одинаковую форму и размер, они выгодно отличаются от своих собратьев разнообразием расцветок.

Всего на рынке около 70 разных оттенков лего-кирпича

Радует и многообразие фактур: от гладких и глянцевых, до имитирующих природный камень – или, так называемый, рваный кирпич.

Фактура лицевой грани может быть разной

К эксплуатационным достоинствам относятся:

• Устойчивость к температурным колебаниям и морозам.
• Высокая прочность – изделия выдерживают давление в 300 кг на 1 см2.

Картинка демонстрирует прочность конструкции из легко кирпичей

• Малое водопоглощение, что делает материал устойчивым к атмосферным воздействиям.
• Долговечность – изделия не трескаются и не теряют внешний вид. Хотя о сроках их эксплуатации без потери начальных характеристик говорить ещё рановато – прошло не так много времени с момента начала использования кирпича лего в строительстве.
• Надежность кладки. Благодаря наличию соединительных пазов, она выше, чем у обычного кирпича.

Наконец, стоит упомянуть и об экономичности этого материала. Себестоимость самого кирпича невысока, так как для его изготовления используются недорогие отходы камнепереработки и не требуется обжиг.

Для справки. На производство одного кубометра или 500 штук лего кирпичей уходит около 1,6 тонн отсева и 220 кг цемента.

Если не учитывать транспортные и прочие сопутствующие расходы, себестоимость одного изделия составляет 3-3,2 рубля. В итоге и рыночная цена получается весьма конкурентоспособной. Расходы на кладку тоже снижаются за счет небольших трат на связующие материалы.

Одного мешка клея 25 кг хватает для укладки 500 кирпичей

Сэкономить можно и на строительстве, так как качественную кладку реально выполнить своими силами. Наконец, ещё один несомненный плюс – это возможность изготовить кирпич лего своими руками.

Оборудование для его производства есть разное от ручных станков до полностью автоматизированных линий. Эта ниша пока относительно свободна, поэтому для желающих начать свое дело это отличный вариант.

Станок для изготовления лего кирпича

Область применения и технология строительства из лего-кирпича

Благодаря прочности, эстетичному виду и особой конструкции, область применения этого строительного материала очень широка. Из него можно возводить как легкие постройки и перегородки, так и несущие стены капитальных зданий. А также использовать в качестве облицовочного материала.

Примеры вы можете увидеть ниже:

Производители утверждают, что такие легкие постройки, как летний душ или туалет, вообще можно возводить без клея. Достаточно уложить на цементный раствор первый ряд и идеально его выровнять. Дальше кладка сама по себе пойдет ровно и будет устойчивой благодаря механическому сцеплению элементов между собой.

Судя по видео, это похоже на правду: приложение довольно серьезных усилий не сдвигает строение ни на миллиметр. Но я бы не рисковала, тем более, что расход клея совсем невелик.

Технология строительства дома совсем иная. Здесь действуют следующие правила:

• Несущие стены выкладываются в два или три ряда с промежутками между ними. Они заполняются теплоизоляционным материалом – керамзитом или каменной ватой. Устройство таких прослоек позволяет экономить кирпич и повышать термоизоляцию стен.

Дом из лего кирпича требует дополнительного утепления

• В технологические отверстия через одно или два в процессе кладки вставляется арматура – стальные стержни. Они заливаются цементным раствором.
• Через каждые несколько рядов по периметру укладывается армопояс из таких же стержней и тоже заливается бетоном.

Устройство армирующего пояса

Совет. Заливку раствора в отверстия желательно делать через каждые 6 рядов, не реже, иначе геометрия кладки может нарушиться.

• В следующих рядах кирпичи нанизываются на вертикально стоящую арматуру.

Так как при соблюдении технологии внутренние стены получаются ровными, их не придется штукатурить. Достаточно заделать швы и нанести финишную шпаклевку. Наружные стены в дополнительной отделке не нуждаются.

Заключение

Лего кирпичи – уникальный материал. Он позволит заняться строительством даже людям, далеким от этой сферы. Достаточно лишь вспомнить свои детские увлечения и изучить некоторые особенности самого материала и его применения.

В этом вам поможет видео в этой статье, рассказывающее об основных нюансах его производства и использования в строительстве.

особенности производства, состав, размеры, достоинства и недостатки, отзывы

История кирпича насчитывает не одно тысячелетие. На протяжении многих веков этот строительный материал совершенствовался, изменялась технология его производства, улучшались технические характеристики. В настоящее время существует более 10 разновидностей кирпича, каждая из которых имеет свою область применения.

Кирпич «Лего» появился на отечественном рынке строительных материалов относительно недавно, но уже успел завоевать широкую популярность, особенно у частных застройщиков. Простота укладки, прочность и высокие эксплуатационные показатели позволяют использовать материал как для возведения перегородок, так и при капитальном строительстве.

Что такое лего кирпич?

Изобретателем лего конструкций считается датский плотник Оле Кирк Кристиансен. В 1932 году он изготовил простую деревянную игрушку, послужившую прототипом для создания кирпича «Лего». В строительстве зданий данный вид кирпича был впервые применен в Дании в 1949 году, а уже начиная с 50-х годов изделие начали широко применять все ведущие европейские и американские строительные компании.

В современной интерпретации, лего-кирпич представляет собой параллелепипед, полученный в результате спрессовывания рабочей смеси. На верхней грани кирпича имеются фиксирующие выступы, чаще всего, круглой формы, а на нижней – соответствующие углубления. Некоторые модификации могут иметь дополнительные центрирующие элементы на боковых гранях.

Виды и размеры

Наиболее распространенной модификацией «Лего» кирпича являются блоки прямоугольной формы с двумя сквозными цилиндрическими отверстиями.

В зависимости от диаметра пустот, различают перфорированные (площадь отверстий больше 25% площади кирпича) и полнотелые (площадь отверстий меньше 25%) блоки. Кроме того, строительный материал классифицируют по некоторым другим признакам.

По типу фиксации

• Исключено как продольное, так и поперечное смещение блоков.
• Возможно продольное смещение блока.

По фактуре

• Лицевая поверхность имитирует природные материалы (камень, дерево, пластик и т.д.).
• Лицевая поверхность не имеет никакой фактуры.

По типу замка

• Пазогребневые блоки (T&G).
• С фиксацией шип – паз (P&D)
• С топологическим пространственным замком.

Состав и характеристики

Рабочая смесь для приготовления кирпича «Лего» включает в себя следующие элементы:

• очищенный песок;
• глина;
• минеральный отсев мелких фракций;
• портландцемент марки 400;
• красители и пластификаторы.

Массовая доля портландцемента составляет от 8 до 15%, остальной объем (от 80 до 90%) занимают песчано-глиняная смесь, минеральные компоненты и пластификаторы.

В таблице приведены основные рабочие характеристики монолитного керамического кирпича и «Лего»:

Параметры	Единицы измерения	Монолитный керамический кирпич	Кирпич «Лего»
Удельный вес	кг/м3	1600 — 1900	1550
Марка прочности*		М150	М150
Число циклов замерзания/оттаивания		35 — 40	35 — 40
Масса одного кирпича	кг	3,4 — 4	3 – 3,5
Влагопоглощение	%	6 — 14	5 — 6
Коэф. теплопроводности	Вт/м*К	0,5 – 0,8	0,4 – 0,55
Примечание: прочностные характеристики взяты исходя из возможности использования материала для капитального строительства.

 

Особенности производства

Залогом качества и прочности кирпича является строгое соблюдение рецептуры в процессе приготовления рабочей смеси. Именно от ее состава будут зависеть технические и эксплуатационные параметры готовой продукции.

После замешивания рабочей смеси, переходят к формовке изделий. Полученная вязкая масса помещается в специальные формы, где с помощью пресса происходит окончательное формирование кирпича.

Технология производства лего-кирпичей предусматривает использование как ручных, так и электрических станков. К преимуществам первого типа оборудования можно отнести простоту конструкции и возможность автономной работы, однако производительность электрических станков в 2 – 3 раза выше чем у механических аналогов.

Что касается рентабельности производства, можно отметить следующее: ручные установки с механическим приводом и одной матрицей могут обеспечить выпуск 600 – 700 единиц продукции за 8 – 10 часов. Использование полуавтоматических установок позволит изготавливать за смену порядка 2000 кирпичей. Производительность полностью автоматизированного комплекса составляет около 10 000 изделий за смену.

Как сделать кирпич «Лего» в домашних условиях

Поскольку технология изготовления строительного материала не отличается особой сложностью, можно наладить производство лего-кирпича в домашних условиях, например, в гараже или сарае.

Приступая к изготовлению кирпича в домашних условиях, необходимо четко представлять себе объем будущего производства. Если планируется изготовление кирпичей исключительно для личного пользования, вполне достаточно ручного станка, установленного в любом подсобном помещении. Если речь идет о последующем сбыте продукции, целесообразно использовать более производительное оборудование.

Этапы производства

Технология изготовления кирпича «Лего» в бытовых условиях мало чем отличается от промышленной и включает в себя следующие этапы:

1. Заготовка и очистка ингредиентов (песка, цемента, минерального отсева, пластификаторов, пигментов и т.д.).
2. Приготовление сухой рабочей смеси. На этом этапе важно четко придерживаться рецептуры: массовая доля цемента, входящего в состав смеси должна быть не менее 8 – 10%, это позволит обеспечить необходимую механическую прочность изделий.
3. Перемешивание полученной смеси с добавлением 4-5% воды. Для эффективного смешивания ингредиентов можно использовать ручную или электрическую бетономешалку.
4. Формовка блоков.
5. Пропаривание кирпича.

При соблюдении дозировки, использовании качественных материалов и добросовестном выполнении работ, качество самодельного кирпича вполне сопоставимо с промышленными изделиями. Изготовленные в домашних условиях блоки можно использовать не только для возведения перегородок, но и для кладки несущих стен.

Преимущества и недостатки

Для любого строительного материала характерны свои плюсы и минусы. К преимуществам кирпича «Лего» можно отнести следующее:

• простоту и высокое качество кладки;
• высокую прочность, позволяющую использовать данный кирпич, как для устройства перегородок, так и для кладки несущих стен;
• возможность работы в широком температурном диапазоне, в том числе, и в условиях амплитудных колебаний температур;
• возможность использования блоков в качестве облицовки и финишной отделки;
• наличие пустот существенно упрощает процесс прокладки коммуникаций;
• широкий выбор цветовых и фактурных решений;
• длительный срок службы: качественная кладка из лего-кирпича может прослужить от 30 до 50 лет, в зависимости от условий эксплуатации;
• приемлемую цену блоков.

Основным недостатком лего кирпича является наличие на строительном рынке большого количества кустарных блоков, изготовленных с нарушением технологии и не соответствующих требованиям ГОСТов и СНиП.

Технология укладки

Несмотря на то, что кладка лего кирпича не требует никаких специальных навыков и инструментов, существует несколько правил и рекомендаций, соблюдение которых позволит добиться высокого качества укладки и прочности постройки.

Как и при любой другой кладке, особое внимание следует уделить укладке первого ряда. Поскольку ошибки, допущенные на этом этапе, неизбежно отразятся на качестве всей постройки, укладку первого ряда необходимо производить с особым вниманием, контролируя расположение каждого блока с помощью строительного уровня. Особое внимание следует уделить перевязке углов.

В качестве связующего компонента при укладке кирпича «Лего» используется не цементный раствор, а специальный клей, приобрести который можно в строительном супермаркете. Для увеличения жесткости кладки в цилиндрические отверстия устанавливают армирующие стержни.

Вместо нанесения клеевого состава, можно заливать сквозные полости бетоном. Этот метод значительно увеличивает прочность и жесткость конструкции, однако снижает тепло- и звукоизоляционные характеристики материала. Кроме того, при заполнении полостей бетоном, исключается возможность прокладки коммуникаций.

Для увеличения жесткости конструкции, через каждые 3 – 4 ряда производится армирование кладки металлической проволокой.

Увеличить теплоизоляционные свойства стен можно, укладывая «Лего» кирпичи в два ряда, оставляя между ними зазор в 15 – 20 мм, который впоследствии заполняется керамзитом или минеральным утеплителем. Такой метод кладки позволяет значительно увеличить тепло- и звукоизоляцию постройки.

Соблюдение этих несложных правил позволит самостоятельно построить прочный и комфортабельный дом с минимальными затратами.

Дома из «Лего» кирпича: отзывы владельцев

Чтобы окончательно убедиться в целесообразности использования данного вида кирпича для строительства жилых домов, можно ознакомиться с приведенными ниже отзывами владельцев жилья, на практике оценивших достоинства кирпича «Лего».

Андрей, г. Минск

К строительству дачного домика решили подойти со всей серьезностью. Внимательно изучили все существующие материалы и технологии строительства, оценили финансовые затраты и учли возможность самостоятельного выполнения работ. Оптимальным вариантом оказался «Лего» кирпич собственного изготовления. Работа оказалась интересной и творческой, особенно когда дело дошло до кладки и прокладки коммуникаций. Дом у нас небольшой, поэтому со строительством справились довольно быстро, результатом полностью довольны. Еще один положительный момент: по окончанию строительства собственного дома, начали понемногу приторговывать кирпичом среди соседей. Не то чтобы большой бизнес, но все же определенная выгода есть.

Дмитрий, Московская обл.

О «Лего» кирпиче слышал давно, и когда пришло время строиться решил выбрать именно этот материал. Подкупили простота кладки и возможность избежать утомительного и пыльного процесса резания штроб. Строили вдвоем с племянником, дом площадью примерно 120 м² выложили за месяц не сильно напрягаясь. Впечатления от работы остались только положительные, это как конструктор для взрослых: никакой грязи и пыли, все ровно и красиво! Первая же зима показала, что дом получился теплый и уютный, а внешний вид просто замечательный!

Николай, г. Челябинск

Всегда мечтал самостоятельно что-нибудь построить, а тут теще понадобилось возвести на даче небольшой флигель. Вместо обычного кирпича знакомый посоветовал купить «Лего». Очень благодарен ему за этот совет. Думаю, что обычный кирпич на цементный раствор хоть раз в жизни пробовал класть каждый, но «Лего» — совсем другое дело, даже заканчивать работу не хотелось! Как будто в детство вернулся к любимому конструктору. Что касается самого флигеля – получился очень теплый и красивый. Удобный в работе и прочный материал, всем рекомендую.

Дмитрий, г Краснодар

Мне нужно было срочно возвести перегородку в общежитии, причем без лишней пыли и грязи. Посмотрев в интернете все возможные варианты, решил использовать кирпич «Лего». Кроме того, что все прошло легко и быстро, не пришлось ни шпатлевать, ни обои клеить – и так красиво! Результатом более чем удовлетворен, очень перспективный материал.

Олег, г. Самара

От родителей остался старенький двухэтажный дом, требующий ремонта как внутри, так и снаружи. Облицевать старую кладку из красного кирпича решили «Лего» блоками с фактурой «дикого» камня. Просмотрев в интернете видео инструкцию. Решил не платить деньги строителям и сам взялся за дело. Работа оказалась совсем несложной, самым утомительным и неприятным было устройство подмостьев для кладки верхних рядов. Между старой кладкой и облицовкой засыпали керамзит, теперь не замерзнем в любой мороз. По поводу внешнего вида нет никаких претензий, возможно потому, что предъявить их некому.

Несмотря на то, что появился кирпич «Лего» на российском рынке относительно недавно, можно смело прогнозировать рост популярности этого строительного материала, особенно в области частного строительства. Это обусловлено, прежде всего, простотой и высоким качеством кладки, высокими прочностными и эксплуатационными характеристиками «Лего» блоков. Кроме того, технология производства этой разновидности кирпича не предусматривает высокотемпературного обжига, что позволяет самостоятельно изготовить необходимое количество блоков любой расцветки.

обзор и отзывы о Лего кирпиче

Гиперпрессованный кирпич Leco — это строительный материал применяемый в широком спектре строительных работ. При производстве кирпича Leco применяются только экологически чистое сырье, которое отвечает всем требованиям ГОСТ 22856-89, ГОСТ 31108-2003, ГОСТ 30515-97.

Лего кирпич имеет следующие характеристики:

• Предел прочности (в соответствии с ГОСТ 379-95) соответствует марке М-150
• Водопоглощение 4,5% — 5% (силикатный от 10 % до 12%, керамический до 14%)
• Теплопроводность 0,4—0,45 Вт/м*К (теплопроводность древесины 0,2—0,5 Вт/м*К )
• Морозостойкость (в соответствии с ГОСТ 7025-91) МРЗ-150

Так как в состав гиперпрессованного изделия входит цемент, адгезия кладочных растворов на основе цемента значительно повышается. Прочность такой кладки равна 2,48 кг/кв.см. Это показатель выше чем при использовании керамического кирпича (1,9 кг/кв.см). Вывод прост, прочность кладки Leco кирпича выше керамического на 30%.

Гиперпрессованный кирпич является представителем нового поколения строительных материалов. Технология его производства в корне отличается от привычных методов выработки кирпича из натурального сырья. Новый стандарт производственного процесса позволил ему получить чрезвычайно высокую прочность при минимальных энергозатратах. Основой для его изготовления служит полностью натуральное сырье, в процессе обработки которого не применяются абсолютно никакие химические связующие вещества или же процессы, способные нарушить его естественную структуру. Производство гиперпрессованного кирпича базируется на эффекте, создаваемом сильным сжатием мелких частиц основного сырья.

Преимущественно в качестве основы для таких кирпичей используется мраморная крошка или отсев. Сам процесс формирования готового изделия проходит в два этапа: добавление в мраморный отсев небольшого количества воды и цемента натурального происхождения (обычно — клинкер). Сразу после этого массу подвергают прессованию при давлении более 20 мПа. Прессование — второй и окончательный этап изготовления кирпича. Его не нужно выдерживать в печи или длительное время просушивать, он готов к эксплуатации почти сразу после выпуска с завода.

Как строят из Лего кирпича Leco

Как делают Leco кирпич

Автоматические и ручные станки и прессы для производства лего кирпичей.

Состав прессуемой смеси:

• Отсев мраморный (белый) — 82%
• Портландцемент ЦЕМ I 42,5 H либо Белый цемент ПЦБ I 52,5 Н -(17% -14%)
• Вода — 4%

Отзывы о Лего кирпиче

Автор поста: Alex Hodinar
Частный инвестор с 2006 года (акции, недвижимость). Владелец бизнеса, специалист по интернет маркетингу.

o-proizvodstve-lego-kirpicea

       Многие предприниматели, которые обращают свое внимание на рынок стройматериалов, поступают абсолютно правильно. Эта область стремительно развивается и будет дальше развиваться, так как производство кирпича всегда будет востребованным в данной сфере.

Стоит начать с того, что производство кирпича является весьма выгодным занятием, так как в любое время года спрос на него всегда достаточно стабилен. Уровень конкуренции на рынке высок, но с повышением темпов строительства для потенциальных предпринимателей есть шанс занять свою нишу.  

Эту нишу, которая на сегодняшний день пока не занята, мы и предлагаем: производство и продажу ЛЕГО кирпичей и других бетонных изделий(кирпичей, тротуарной плитки, брусчатки). Кирпич ЛЕГО — это высококачественный строительно-облицовочный продукт, сформованный методом гиперпрессования без обжига. Гиперпрессование основывается на процессе «холодной сварки», происходящей при прессовании под высоким давлением мелкопомолотых известняковых пород с небольшим количеством (до 10%) цемента и воды. Основным сырьем (до 90%) являются отсевы от разработки известняковых (карбонатных) пород: ракушечники, известняки, доломиты, травертины, мраморы, известковые(доломитовые) щебеночные отсевы, а также различные отсевы мягких пород и т. д. При помощи кирпича ЛЕГО можно самостоятельно, благодаря двум круглым конструкционным направляющим отверстиям, без помощи строителей(чей труд весьма дорог) собрать любую хозпостройку (забор, беседку, душ, туалет, сарай и т.д.) и даже дом по принципу детского конструктора ЛЕГО. Получается идеально ровная поверхность (опять же за счет двух направляющих отверстий) — не требующая дополнительного выравнивания. Кирпич можно ставить на плиточный клей, а не на цементный раствор. В кубе-480 кирпичей. Для изготовления одного куба кирпича требуется 1350 — 1400 кг. отсевов(песков) и 100-150 кг. цемента.  

            

 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА

 ГИПЕРПРЕССОВАННОГО КИРПИЧА ЛЕГО              

            

Основным сырьем для производства гиперпрессованного кирпича ЛЕГО являются отсевы от разработки известняковых (карбонатных) пород: ракушечники, известняки, доломиты, травертины, мраморы, известковые(доломитовые) щебеночные отсевы и т.д.

 Можно в качестве сырья использовать различного рода пески(карьерный, речной), а также отсевы более твердых пород(гранитные, кварцевые и т.д.). Из этих материалов тоже получаются хорошего качества кирпичи. Но в связи с высокой абразивностью этих материалов, рабочая поверхность матрицы оборудования будет быстрее стираться.

Процесс  предполагает  полусухое  гиперпрессование подготовленной смеси. Влажность отсева должна соответствовать 7-10%. Это можно определить при помощи влагомера.

                 Четыре фазы технологического процесса

                          1)Приготовление смеси

а) основное сырье (отсев) – 85 -90%

в) вяжущая добавка (цемент М-500) – 10-15%

Смесь тщательно перемешивается смесителем миксерного типа  до однородной массы и подается в бункер станка при помощи транспортера.  Не рекомендуется пользоваться бетономешалкой, так как смесь в ней не перемешивается тщательно до однородной массы, не разбивает комки и залипает на стенках.

                              2)Прессование кирпича

Приготовленная смесь через дозатор поступает в формовочную камеру, где происходит формовка кирпича под высоким давлением.

                            3)Палетизация кирпича

Сформованные кирпичи укладываются на поддоны таким образом, чтобы между ними оставалось свободное пространство в несколько сантиметров. Спустя 24 часа кирпичи можно укладывать друг на друга.

                       4)Хранение готовой продукции

Затем кирпичи, также на поддонах,  доставляются на склад временного хранения  до отправки его покупателю. Хранение кирпичей должно происходить при естественной температуре, не ниже  00 и обязательно в тени. Прямые солнечные лучи при формировании прочности кирпича разрушают его структуру. Изделие можно отгружать покупателю через 2 сутки после его изготовления. Окончательную прочность кирпич набирает через 28 суток, как и любое бетонное изделие.

Внимание!  Бункер станка во время выпуска кирпичей должен быть заполнен не менее чем наполовину. Это необходимо для естественной прессовки массы, поступающей в формовочную камеру.

Используемый песок, для достижения максимального качества кирпича, должен быть однородным, с модулем крупности 1,8 — 2. Присутствие глины должно быть не более 3%. Попадание в формовочную камеру крупных камней может привести к повреждению рабочей части (матрицы) формовочной камеры. Следовательно, если в отсеве есть более крупная фактура, его необходимо просеивать.

В связи с разнородностью отсевов в регионах, производителю необходимо самостоятельно определить отсев для производства кирпича, исходя из вышеизложенного, а также оптимальный состав прессуемой смеси. 

Для придания кирпичу различных цветовых оттенков, необходимо использовать пигменты (красители) различных производителей. На рынке предлагается много вариантов на усмотрение производителя. Мы рекомендуем порошкообразный пигмент немецкой фирмы «Lanxess».

На качество выпускаемого гиперпрессованного кирпича значительно влияют также различные химические добавки, например строительные пластификаторы, которые придают ему пластичность, увеличивают прочность и плотность кирпичей и т.д.  Производителю нужно подобрать добавки, исходя из отсевов региона, где будут выпускаться кирпичи.

Пластификаторы — это не обязательный компонент подготавливаемой смеси. Но их присутствие обеспечивает начальную прочность кирпичей (это очень важно при ограниченных производственных площадях), повышает качество  (снижается трещинообразование и истираемость кирпичей), улучшается водонепроницаемость(гидрофобизаторы) и морозостойкость.

 

   

Преподавание химии с кубиками LEGO®

Учителя разрабатывают уникальные учебные пособия, чтобы привлечь студентов к изучению химии. Идеальные учебные пособия — это инструменты, которые учащиеся могут с удовольствием использовать, повторно использовать и которые можно создать без использования специальных инструментов. Учебные пособия на основе LEGO ^® удовлетворяют всем этим требованиям. Учителя химии использовали кирпичи для иллюстрации основных химических понятий. Более того, с конца 1990-х годов Кэмпбелл и его коллеги активно писали о пособиях по химии на основе LEGO, и несколько групп до сих пор настойчиво сообщают о них.Основное внимание в этом обзоре уделяется применению кубиков LEGO в обучении химии. В этом обзоре описываются учебные пособия на основе LEGO, которые легко создать и которые могут быть полезны читателям с точки зрения создания новых учебных пособий. Поскольку кубики LEGO обладают разнообразными формами и цветами, их можно использовать для создания различных учебных пособий, включая периодические таблицы, молекулярные модели, модели структуры полимеров и каркасы для измерительных приборов ручной работы. Модели полимерной структуры обычно трудно построить с помощью типичных молекулярных моделей шарообразного типа; однако их можно легко построить из кубиков LEGO.Кирпичи подходят для изготовления измерительных приборов ручной работы из-за их универсальности и компьютерного интерфейса, а также отсутствия необходимости в специальных инструментах.

Иллюстрации основных химических концепций с моделями LEGO

Для студентов 21 века, которые могут искать и смотреть что угодно в Википедии и YouTube, соответственно, следует предлагать как можно больше уроков химии с уникальными учебными пособиями. Учителя химии регулярно разрабатывают учебные пособия, чтобы заинтересовать учащихся.Это увлекательная работа, хотя и сложная. Кубики LEGO и предыдущие отчеты, представленные здесь, могут помочь учителям разрабатывать новые учебные пособия.

Периодическая система элементов

Сущность химии заключена в периодической таблице. Использование кубиков LEGO для создания забавной таблицы Менделеева значительно подстегнет интерес студентов к химии. Кунцлеман и его коллеги сообщили об очень приятной информационно-просветительской деятельности, в ходе которой ученики построили периодическую таблицу из 114 элементов, используя более 6000 деталей из кубиков LEGO (Kuntzleman et al., 2013). Символ каждого элемента был нанесен на квадратную пластину LEGO размером 16 гвоздей × 16 гвоздиков, которые были размечены цветом (красный для щелочных металлов и зеленый для галогенов). Поскольку кирпичи были угловатыми, было сложно нарисовать с их помощью символы круглых элементов, такие как «Будь». Однако они решили эту проблему, создав квадратную пластину 16 шипов × 16 шипов. Созданная LEGO таблица Менделеева послужила основой для многих тем, касающихся элементов. Согласно их отчету, автор сконструировал таблички с символами трех элементов, соответствующими инициалам аббревиатуры моего университета, Osaka Sangyo University (OSU) (рис. 1).Каждая пластина была значимой, следовательно, периодическая таблица из 114 из них, должно быть, была подавляющей.

Рисунок 1:

Таблички с символами трех элементов: O, S и U.

Три состояния материи

Большой круг химических тем, от старших классов средней школы (возрастная группа 14–18 лет) до первокурсников / второкурсников (возрастная группа 18–20 лет) был объяснен с помощью моделей из кубиков LEGO. Три состояния материи можно проиллюстрировать простой комбинацией кубиков LEGO (Гейер, 2017), а именно нескольких круглых пластин 1 × 1 и пластины 6 × 10.На рисунках 2a – c показаны твердое, жидкое и газообразное состояния вещества соответственно. Круглые пластины представляют собой частицы, а также учитывают легкость их удаления с большой пластины. Модель LEGO проста и понятна, что делает ее отличным учебным пособием.

Рисунок 2:

Модели Brick, иллюстрирующие три состояния вещества: (а) твердое, (б) жидкое и (в) газообразное состояния.

Плотность

Плотность, тема, тесно связанная с химией, также знакомится с учащимися с помощью кубиков LEGO (Kuntzleman, 2015).Модель включает 17% -ный рассол, 2-пропанол, минифигурку LEGO, четыре части желтого кирпича 1 × 2 и четыре модели LEGO, которые были построены из синих кирпичей 1 × 2 и синей пластины 1 × 2, помещенных в прозрачный бутылку, хорошо взболтать и дать отстояться. После этого мини-фигурка и четыре желтых кирпича размером 1 × 2 плавали в рассоле, а четыре синих модели LEGO плавали в 2-пропаноле (рис. 3). Детали LEGO, которые были изготовлены из акрилонитрилбутадиенстирола (ABS), плавали в 17% -ном рассоле и погружались в 2-пропанол.Разница между деталями LEGO, которые плавали в рассоле, и моделями LEGO, которые плавали в 2-пропаноле, вызвана захватом воздуха моделями LEGO. Типичная пластиковая бутылка на 500 мл имеет маленькое отверстие (внутренний диаметр — около 22 мм) и не может вместить минифигурки LEGO с большим головным убором. Груз был прикреплен к ногам минифигурки так, чтобы ее голова была обращена вверх в воде. Однако учителя должны обращаться осторожно, потому что 2-пропанол — токсичное, легковоспламеняющееся соединение с запахом.

Рисунок 3:

Эксперимент с плотностью: (а) сразу после встряхивания, (б) после выдерживания в течение 10 мин и (в) после выдерживания в течение 20 мин.

Кулоновская сила

Кулоновская сила, одно из важнейших знаний в изучении химии, была визуализирована с помощью инструмента, который был собран из кубиков LEGO (Hendrix & Prilliman, 2018). Рама для крепления магнитов и измерительного прибора построена из кирпичей.Из кирпичей можно было построить прочную раму, которая могла бы противостоять магнитному отталкиванию. Кроме того, кирпичи были немагнитными и, следовательно, были оптимальной рамой для измерения силы между магнитами.

Молекулярная масса

Хадсон, Кац и их коллеги сообщили о деятельности по обучению зеленой химии, в которой молекулярная масса молекулы H ₂ SO ₄ была проиллюстрирована путем сборки пластин LEGO (Hudson et al., 2016). Атомы водорода, кислорода и серы были представлены двумя белыми пластинами 1 × 1, четырьмя красными пластинами 4 × 4 и одной желтой пластиной 4 × 8 соответственно.Количество стоек на каждой пластине соответствовало атомному весу, т. Е. H = 1, O = 16 и S = ​​32. Две белые пластины 1 × 1 были прикреплены к двум из четырех красных пластин 4 × 4, а четыре красных пластины 4 × 4 были уложены друг на друга на желтой пластине 4 × 8, чтобы представить молекулярную массу молекулы H ₂ SO ₄ (рис. 4). В исходной статье для иллюстрации атомов водорода использовались кирпичи 1 × 1, а не пластины 1 × 1, потому что студенты могут легко получить травмы, когда небольшая пластина, прикрепленная к другой, будет удалена.Учителя должны разрабатывать LEGO, исходя из потребностей обучения, но при этом учитывая безопасность.

Рисунок 4:

Модель Брика для иллюстрации молекулярной массы H ₂ SO ₄ .

Порядок связывания и правило октетов

Можно построить несколько простых молекулярных моделей, используя белый кирпич размером 1 × 2 в качестве атома водорода. Точно так же серые, синие и красные кирпичи 2 × 4 могут использоваться в качестве атомов углерода, азота и кислорода соответственно (рис. 5a) (Lin et al., 2018). Однако, когда учителя пытаются изобразить большие молекулы, соответствующие модели LEGO имеют тенденцию быть длинными (рис. 5b). Поэтому учителям важно сообщить ученикам, что молекулярные модели LEGO могут иметь формы, которые сильно отличаются от их реальных молекулярных структур. Поэтому предпочтительно использовать молекулярную модель LEGO в сочетании с иллюстрациями ChemDraw ^® и типичными молекулярными моделями. Кроме того, эти модели LEGO можно использовать для обучения порядку связывания и правилу октетов.В молекулярной модели воды (рис. 5а, слева) в красном кирпиче было восемь гвоздей, представляющих кислород, и четыре из них были заняты двумя кубиками, которые представляли атомы водорода. Эта модель показала, что атом кислорода молекулы воды связан с двумя атомами водорода двумя одинарными связями и обладает двумя нековалентными электронными парами. В молекулярной модели углекислого газа (рис. 5а, в центре) красный и серый кирпичи были сложены друг с другом через четыре стойки, что указывает на то, что кислород и углерод образуют двойную связь в двуокиси углерода.Аналогичным образом было построено несколько молекулярных моделей, о которых сообщили другие группы (Profbonomi, 2017).

Рисунок 5:

Модели молекулярной структуры Brick (а) воды, диоксида углерода и аммиака (слева направо) и (б) крупномолекулярного l-карнитина [(3R) -3-гидрокси-4- (триметилазанил) бутаноат].

Валентности ионов и состав солей

Об активности на основе LEGO по изучению валентностей типичных ионов и составов простых солей сообщили Раддик и Паррилл (Ruddick & Parrill, 2012).В этом задании кубики LEGO, представляющие катионы и анионы, были выделены по цвету. Количество гвоздей в каждом кубике LEGO соответствовало валентности ионов. Следовательно, Ca ²⁺ , O ^2-, Al ³⁺ и P ^3- были представлены 1 × 2 желтыми, 1 × 2 синими, 1 × 3 желтыми и 1 × 3 синими кирпичами. соответственно (рис. 6а). Задание было интуитивно понятным и ожидаемо высокоэффективным. Автор также попытался построить модели кирпича, чтобы представить Al ₂ O ₃ , Ca ₃ P ₂ , AlP и CaO (рис. 6b).Для наглядности кирпичи были промаркированы символами элементов с помощью принтера этикеток. При наклеивании на кирпич стикеров следует учитывать те, которые легко отслаиваются. Одно из преимуществ кубиков LEGO — простота удаления их из модели и повторного использования в других моделях. Соответственно, желательно не маркировать, не красить, не резать и не сверлить кубики LEGO.

Рисунок 6:

Кирпичные модели катионов и анионов (а) и солей (б).

Периодические свойства элементов и теория молекулярных орбиталей

Дабке и его коллеги сообщили о нескольких учебных пособиях на основе LEGO для иллюстрации периодических свойств и электронных конфигураций элементов и теории молекулярных орбиталей (Melaku, Schreck, Griffin, & Dabke, 2016). Кубики были разработаны как учебные пособия для слепых и слабовидящих студентов. Однако они были полезны для всех учеников старших классов и студентов старших курсов.Основываясь на своем отчете, автор построил модель LEGO, чтобы проиллюстрировать электроотрицательность элементов второго и третьего ряда (рис. 7). Из этой модели студенты могли легко заметить, что значения электроотрицательности элементов второго и третьего ряда сильно различаются. Значения электроотрицательности, согласно Полингу, составляют 2,55 для C, 3,04 для N, 3,44 для O и 3,98 для F (Электроотрицательность, Википедия, н.о.). Эта модель представляет собой трехмерную таблицу Менделеева. Автор также построил модель LEGO, чтобы проиллюстрировать формирование молекулярных орбиталей путем объединения атомных орбиталей O ₂ (рис. 8).Модель LEGO содержала резинки для облегчения понимания энергетической диаграммы. Поскольку модель LEGO была небольшой, учителя должны были продемонстрировать движение кубиков на проекторе и раздать одни и те же модели всем ученикам.

Рисунок 7:

Модель кирпича, иллюстрирующая значения электроотрицательности элементов второго и третьего ряда.

Рисунок 8:

Кирпичные модели атомной (а) и молекулярной (б) орбиталей O ₂ .

Координационные связи и хелатный эффект

Кэмпбелл и его коллеги представили координационные связи и хелатные эффекты между ионами металлов и органическими лигандами, используя уникальную модель, в которой кубики LEGO сочетаются с магнитами (Campbell, Freidinger, & Querns, 2001). Модели LEGO, представляющие ионы металлов и органические лиганды, были построены из кубиков LEGO разного цвета и прикреплены к разным ориентациям магнитов. На рисунке 9 показана модель LEGO, иллюстрирующая квадратно-строгальную, линейную и Т-образную координационные геометрии, построенную в соответствии с отчетом Кэмпбелла.В модели квадратного рубанка металлический центр (красные кирпичи) был окружен двумя монодентатными лигандами (желтые кирпичи) и хелатным лигандом (оранжевые кирпичи). Модель LEGO требовала двух частей, которые не были произведены в этой работе: цилиндрического магнита [73092] и плитки держателя магнита 2 × 2 [2609] (числа в скобках являются официальными каталожными номерами кубиков LEGO, применимыми к указанным ниже ). Взаимодействие между магнитами было недостаточно сильным, чтобы удерживать блоки вместе. Конечно, есть много способов загрузить магнит на кирпич LEGO; следовательно, учителям не обязательно использовать именно эти части.Эта модель может использоваться для представления линейной и Т-образной координационной геометрии, хотя они не могут представлять тетраэдрическую и октаэдрическую геометрии. Построить тетраэдр из прямоугольных кубиков LEGO очень сложно.

Рисунок 9:

Кирпичные модели (а) плоской квадратной, (б) линейной и (в) Т-образной координационной геометрии. Черные части представляют собой цилиндрический магнит и плитку держателя магнита 2 × 2. Красные, желтые и оранжевые кубики обозначают ион металла и монодентатный и хелатный лиганды соответственно.

Самостоятельная сборка

Самосборку в супрамолекулярной и координационной химии можно проиллюстрировать с помощью учебного пособия, демонстрирующего самопроизвольную сборку нескольких кубиков LEGO, плавающих вверх ногами в воде (Исследование наномира с кубиками LEGO ^® , 2008). Эта интересная идея пришла также к Кэмпбеллу и его коллегам (рис. 10). Учителя должны плавать кубики LEGO постепенно, чтобы они не утонули. Поскольку кубики LEGO можно собирать быстро, лучше всего позволить ученикам выполнять плавание.

рисунок 10:

Кирпичи, иллюстрирующие самосборку: (а) четыре и (б) семь сборок кирпичей.

Фотолитография

Фотолитография, одна из самых последних технологий, была проиллюстрирована простой сборкой кубиков LEGO (Гарви и др., 2008). Фотолитографический метод состоит из пяти процессов (Рисунок 11): (а) нанесение фоторезиста (желтый кирпич) на вещество (красный), (б) маскирование фоторезиста фотошаблоном (синий) и его экспонирование светом. , (c) использование проявителя для удаления фоторезиста, (d) травление или осаждение на открытых участках подложки, и (e) смывание остаточного фоторезиста.Когда учителя намереваются схематично объяснить учащимся сложные химические реакции или процессы, для их иллюстрации лучше использовать компьютерное программное обеспечение, такое как Illustrator или PowerPoint. Однако, как правило, сложно нарисовать твердую фигуру, и иногда легче нарисовать и объяснить с помощью кубиков LEGO, чем с помощью программных приложений.

рисунок 11:

Кирпичные модели для иллюстрации фотолитографической техники.Буквы соответствуют буквам в тексте для обозначения различных процессов.

Атомно-силовая микроскопия (АСМ)

Сообщалось о двух мероприятиях, направленных на внедрение механизма AFM с использованием кирпичей LEGO. Один из них применялся к учащимся старших классов, а другой — к первокурсникам, второкурсникам и ученикам старших классов. В первом случае поверхность материала, сканированная с помощью АСМ, была выражена моделями LEGO (Goss, Brandt, & Lieberman, 2013).Наоборот, в последнем случае работа AFM была воспроизведена с помощью модели LEGO, которая управлялась и контролировалась компьютером (Olson et al., 1999). Одна из особенностей, которая делает кубики LEGO привлекательными, заключается в том, что их можно использовать по-разному, в зависимости от класса ученика (по классу и способностям). Интересно, что даже с целью иллюстрации механизма одного и того же инструмента это учебное пособие может быть очень разнообразным.

Иллюстрации химических структур с моделями LEGO

Хотя кубики LEGO не подходят для иллюстрации структур дискретных молекул, как описано выше, они подходят для представления периодических структур, таких как кристаллические и полимерные структуры.Напротив, типичные молекулярные модели шарообразного типа хороши для описания формы дискретных молекул, хотя и не годятся для описания периодических структур. Иными словами, модели LEGO и шарик-палка дополняют друг друга. Использование абстрактных моделей LEGO может облегчить понимание учащимися взаимосвязей между структурами и свойствами материалов. Более того, объединение их в лекции углубит понимание студентами.

Полиэтилен

Сообщалось о информационно-пропагандистской деятельности с использованием кирпичей LEGO для внедрения синтеза и переработки пластмасс, в которой в качестве мономера этилена использовался кирпич 2 × 4, а некоторые кирпичи были соединены, чтобы проиллюстрировать полиэтилен (рис. 12) (Enthaler, 2017).Модель полиэтилена может быть легко возвращена обратно к мономерам этилена. В этом отчете рекуперация энергии объясняется уникальным подходом, включающим сжигание кирпичей с помощью газовой горелки. Более того, должно быть, на студентов произвело впечатление горение кирпичей. Однако учителя должны быть осторожны, потому что при горении кирпичей LEGO образуется вредный газ.

Рисунок 12:

Модель кирпича из полиэтилена и соответствующая структурная формула.

Полидиметилсилоксан

Полидиметилсилоксан используется в качестве фармацевтической и пищевой добавки. Кэмпбелл и его сотрудники построили полидиметилсилоксановую модель, объединив простые кубики LEGO (Campbell, Miller, Bannon, & Obermaier, 2011). Попытка построить модель полидиметилсилоксана с помощью типичной молекулярной модели шарика и ручки потребовала бы нескольких наборов, и модель была бы хрупкой. Один из способов заинтересовать учеников — использовать созданную ими впечатляющую модель LEGO.Однако эта модель затрудняет понимание взаимосвязи между кубиками LEGO и соответствующими им атомами. Студенты будут перемещаться между моделью LEGO и соответствующей иллюстрацией ChemDraw, чтобы понять свои отношения.

Полисахариды

При обучении студентов взаимосвязи между структурой и свойствами полимеров эффективно рассматривать, например, полисахариды, включая амилопектин, амилозу и целлюлозу (Horikoshi, 2017).Различия и сходство между амилопектином, амилозой и целлюлозой были проиллюстрированы с помощью моделей на основе LEGO. Амилопектин и амилоза образуют спиральные структуры (рис. 13), в то время как целлюлоза имеет зигзагообразную структуру (рис. 14). Различия объясняются различной структурой их мономеров: α, — d, -глюкоза и β, — d, -глюкоза, соответственно. В α — d -глюкоза, которая является мономером, который составляет амилопектин и амилозу, группа ОН на C1 присоединена вниз к шестичленному кольцу (Рисунок 15a), тогда как в β — d -глюкоза, т.е. мономер целлюлозы, группа ОН на C1 связана вверх с шестичленным кольцом (рис. 15b). В этой модели используется редкая пластина 1 × 2 с ручкой на конце [60478] и еще одна пластина 1 × 2 с зажимом на конце [63868]. Следовательно, увеличение длины полимерной цепи является дорогостоящим. При использовании такой большой модели LEGO учителя должны объяснять учащимся различие между основными и укрепляющими частями модели. Кроме того, при использовании этой модели необходимо соблюдать осторожность, чтобы не сломать ее.

Рисунок 13:

Кирпичная модель амилозы и соответствующая структурная формула: (а) сверху и (б) виды сбоку.

Рисунок 14:

Модель кирпича из целлюлозы и соответствующая структурная формула: (а) собранная конструкция и (б) отдельная цепочка.

Рисунок 15:

Brick модели и соответствующие структурные формулы (а) α -d-глюкозы и (б) β -d-глюкозы.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)

Существует множество примеров, в которых структура двойной спирали ДНК была проиллюстрирована кубиками LEGO (например, «Точная структура ДНК из Японии», без даты). Поиск изображений в Google по запросу «LEGO, ДНК и модель» вернет несколько спиральных моделей. В качестве типичного примера известна модель спирали ДНК LEGO, построенная Эриком Харшбаргером (веб-сайт Эрика Харшбаргера LEGO ^® , н. Д.). Кроме того, кубики LEGO используются в качестве инструмента для объяснения схемы секвенирования ДНК, в которой четыре основания, A, G, C и T, составляющие ДНК, представлены цветными кубиками 1 × 1 (Macori, Romano, Decastelli , & Коттер, 2017).

Иллюстрации химических реакций с моделями LEGO

На самом деле существует несколько практических учебных пособий, которые могут эффективно объяснить химические реакции (Fieberg, 2012). Чтобы научить студентов химическим реакциям, учителя химии должны писать схемы реакций на досках или проектировать схемы реакций, нарисованные ChemDraw, на слайдах. Однако множество схем реакций на доске может отбить у студентов желание заниматься химией. Поэтому учителям химии следует периодически использовать уникальные учебные пособия.Кроме того, было сообщено о нескольких лекциях, объясняющих химические реакции с помощью учебных пособий на основе LEGO.

Уравновешивание химического уравнения и сохранения массы

кубиков LEGO также можно использовать для обучения методам балансирования химических уравнений и расчета сохранения масс. Студенты могут изучать эти две темы во время просмотра видео на YouTube (Керр, 2020; Скарборо, 2016; The 8 Orange Community * ранее 8 Gold *, 2017). В отличие от общих молекулярных моделей, молекулярные модели кубиков LEGO могут легко удалять атомы из молекулы.Лекторы в видеороликах YouTube используют это преимущество, чтобы преподавать эти две темы в простой для понимания манере.

Химическое равновесие и кинетика

Хатчисон и его коллеги сообщили об опыте использования основанного на открытиях метода с кубиками LEGO для улучшения понимания учащимися химического равновесия (Cloonan, Nichol, & Hutchinson, 2011). В этом упражнении использовалось 50 желтых кирпичей 2 × 2 и 50 зеленых кирпичей 2 × 2 в коробке. Желтые кирпичи представляли атомы A, а зеленые — атомы B.Связь между A и B представляет собой образование молекулы AB. Студенты участвовали в этом мероприятии в группах по четыре человека. Из четырех в каждой группе один собрал два кирпича, A и B, чтобы построить AB, другой разобрал AB на A и B, третий смешал кирпичи, а последний измерил время. Через некоторое время реакционная система из кубиков LEGO достигла равновесия. Благодаря этой работе студенты наблюдали и понимали состояние равновесия. О подобной активности сообщила другая группа (Xian & King, 2020).

Химическое равновесие и кинетика были описаны с использованием учебного пособия на основе кубиков LEGO, прозрачных коробок для компакт-дисков и бусин. Это учебное пособие было разработано для демонстрации тем путем наблюдения за бусинками, пересекающими барьер, сделанный из кирпичей LEGO. Это учебное пособие было очень простым и являлось отличным инструментом для объяснения двух химических концепций (Campbell, Brewer, Martinez, & Fitzjarrald, 2017).

Гомогенно-каталитические реакции

Неожиданно как старшекурсникам, так и аспирантам понравилось изучать каталитические циклы, используя учебные пособия на основе LEGO.Профессор Негиси объяснил универсальность катализируемых палладием реакций кросс-сочетания, используя выражение «игровой подход LEGO» в своей лекции по химии (Нобелевская лекция Ei-ichi Negishi, 2010). Автор и его сотрудники использовали модели LEGO для объяснения четырех гомогенных каталитических реакций, включая катализируемую палладием реакцию кросс-сочетания (рис. 16) (Horikoshi, 2015a), реакцию метатезиса олефинов, катализируемую комплексом рутений и карбен (рис. 17) ( Horikoshi, Kobayashi, & Kageyama, 2014), асимметричное гидрирование, катализируемое BINAP-комплексом рутения (рис. 18) (Horikoshi, 2015b), и катализируемая металлоценом полимеризация пропилена (рис. 19) (Horikoshi, Kobayashi, & Kageyama, 2013).Все модели показали, что активные частицы (катализатор) не изменились ни до, ни после каталитических реакций. Кроме того, использование кубиков LEGO для определения формы катализатора облегчило понимание его молекулярной конструкции. Некоторые кубики LEGO в этих моделях содержали магниты, которые притягивали другие кубики LEGO, содержащие магниты. Это магнитное соединение между кубиками LEGO было легко прикрепить и отсоединить, и оно использовалось для обозначения удаляемых связей, а именно координационных связей, окислительного добавления и восстановительного удаления.Механизмы и эффекты стерических препятствий гомогенного катализа сложно проиллюстрировать с помощью инструментов химического рисования, и их нелегко представить с помощью молекулярных моделей шарообразного типа. Типичная молекулярная модель шарика и палки не подходит для представления химических реакций, таких как восстановительное отщепление, потому что сложно удалить составляющие шарики атомов. На самом деле, поскольку сложно объяснить детали механизма реакции с помощью только моделей LEGO, химический рисунок и типичные молекулярные модели были эффективно объединены.В этих моделях использовалось меньше обычных кирпичей, например, поворотный стол 2 × 2 [3680c02] и пластина 2 × 2 с канавкой и 1 штифтом в центре [87580]. Следовательно, распространение этих кирпичных моделей среди всех студентов будет относительно дорогостоящим.

Рисунок 16:

Модель Брика и соответствующая структурная формула, иллюстрирующая каталитический цикл реакции кросс-сочетания, катализируемой палладием.

Рисунок 17:

Модель Брика и соответствующая структурная формула, иллюстрирующая реакцию полимеризации метатезиса олефинов, катализируемую рутением-карбеновым комплексом, с раскрытием цикла (ROMP).

Рисунок 18:

Модель Брика и соответствующая структурная формула, иллюстрирующая корреляцию между комплексом BINAP-рутениевый и впоследствии образованный β -гидроксиэфир.

Рисунок 19:

Модель кирпича и соответствующая структурная формула, иллюстрирующая корреляции между структурой металлоценового катализатора и стереорегулярностью полипропилена.

Конструкции инструментов ручной работы из кубиков LEGO

Когда студенты сами конструируют измерительные приборы ручной работы, они, как правило, глубоко понимают механику прибора и тщательно анализируют результаты (Albert, Tobt, & Davis, 2012). Кирпичи LEGO подходят в качестве материала для инструментов ручной работы, потому что есть множество деталей и специальных инструментов, которые не нужны для сборки собранных каркасов.

LEGO-кирпичики изготовлены из АБС-пластика, и их можно повредить некоторыми органическими растворителями, такими как ацетон. При использовании кубиков LEGO в лаборатории необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать воздействия органических растворителей. Если поверхность кирпича загрязнилась, ее следует протереть тряпкой, смоченной водой или этиловым спиртом.

Спектрофотометр, колориметр, флуориметр и поляриметр

Несколько групп разработали практические занятия с инструментами ручной работы, используя кубики LEGO, чтобы помочь ученикам понять фундаментальные концепции различных аналитических инструментов (Albert, Tobt, & Davis, 2012; Bouza, Nastou, Panigyraki, & Makedonas, 2019).Квиттинген и его коллеги сообщили о конструкции следующих аналитических инструментов из комбинации кубиков LEGO и светодиодов для химического образования: видимый фотометр (Kvittingen, Kvittingen, Sjursnes, & Verley, 2016), колориметр (Asheim, Kvittingen, Kvittingen, & Verley, 2014) и фосфоресцентный анализатор (Kvittingen, Kvittingen, Melø, Sjursnes, & Verley, 2017). Ссылаясь на отчеты Квиттингена, автор построил три инструмента на основе LEGO (рис. 20). Каждый прибор имел одинаковую базовую конструкцию, в которой большая пластина LEGO была оснащена кубиками 2 × 2, 2/3 от верхнего края, для крепления кварцевых ячеек и перфорированными кубиками 1 × 2 [3700] для крепления светодиодов.Примечательно, что не рекомендуется резать или красить кубики LEGO, когда они используются для игры. Из трех аналитических инструментов LEGO фотометр видимого диапазона имел простейшую конструкцию. Светодиод для излучения видимого света и светодиод для обнаружения света были расположены и закреплены так, чтобы обращать внимание на перфорированные кирпичи поперек кварцевой ячейки. Простой фотометр можно использовать для иллюстрации работы спектрофотометров ультрафиолетового и видимого (УФ-видимого диапазонов), которые широко используются в химических экспериментах.Колориметр на основе LEGO может содержать две кварцевые ячейки, расположенные рядом, на большой пластине LEGO. Этот инструмент можно использовать для обучения закону Бера – Ламберта. Фосфоресцентный анализатор LEGO был оснащен светодиодом для обнаружения длинноволнового света в направлении, перпендикулярном пути коротковолнового света. После создания одного инструмента учитель мог разобрать его компоненты и построить два других. Это удобно, потому что светодиоды были прочно прикреплены к перфорированным кубикам LEGO.Другая группа сообщила об учебном пособии, разработанном на основе аналогичной концепции. Модели LEGO легко воссоздать; следовательно, студенты могут создавать свои собственные модели методом проб и ошибок. Недавно Квиттинген и Сюрснес сообщили о конструкции поляриметра с использованием кубиков LEGO в качестве основы для студенческих экспериментов (Kvittingen & Sjursnes, 2020). Они использовали этот инструмент для измерения оптического вращения меда, сиропов и эфирных масел. Как и в вышеупомянутых приборах, в этом поляриметре использовались перфорированные блоки размером 1 × 2 [3700] для защиты светодиодов.Он также использовал перфорированные кирпичи 1 × 2 и часть штифта [3673] для фиксации транспортира и пластикового циферблата.

Рисунок 20:

Центральные части LEGO-спектрофотометра (а), колориметра и (в) флуориметра.

Полноценный спектрофотометр видимого диапазона и флуоресцентный микроскоп

В некоторых упражнениях, в которых студенты построили полноценный спектрофотометр видимого диапазона (Bougot-Robin, Paget, Atkins, & Edel, 2016; Knagge & Raftery, 2002; Wilson & Wilson, 2017) и флуоресцентный микроскоп (Varra et al., 2020), кубики LEGO использовались в качестве каркаса инструментов или держателей для фиксации таких компонентов, как щель, зеркало, призма и кварцевая ячейка. В некоторых сообщениях в кирпичике LEGO просверливали отверстие для создания движущейся части спектрометра. Примечательно, что не рекомендуется сверлить отверстия при использовании кубиков LEGO вне образования. Однако доступно несколько компонентов петель, которые следует рассмотреть для использования, хотя они довольно дороги. Также есть сообщения об инструментах на основе LEGO, которые используют LEGO Mindstorms (Hosker, 2018) и сенсоры смартфонов (Kocanda, Wilke, & Ballantine, 2010) в качестве фотоприемников.Производительность инструментов ручной работы сравнивали с характеристиками коммерческих инструментов. Очевидно, что ручные инструменты показали более низкую точность измерения, чем коммерческие, хотя они показали достаточную точность для образовательных целей. Кроме того, инструменты ручной работы, безусловно, были лучшими для образовательных иллюстраций.

Инструменты исследования

Кристус и его коллеги сообщили об учебном пособии, в котором широко использовались функции LEGO Mindstorms (Anunson, Winkler, Winkler, Parkinson, & Christus, 2013).Учебное пособие, получившее название «SHArK», аббревиатура от Solar Hydrogen Activity Research Kit, было разработано для изучения комбинаций полупроводников, которые могут быть фотокатализаторами разложения воды. Благодаря такой продуманной конструкции модель SHArK превратилась из учебного пособия в инструмент исследования.

инструментов ручной работы LEGO используются в области химического образования и передовых исследований. Они, в сочетании с Mindstorms, могут использоваться в качестве автоматических сборщиков фракций в системах высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) (Caputo, Lyles, Salazar, & Quave, 2020), системы сопряжения между тонкослойной хроматографией (ТСХ) и масс-спектрометром окружающей среды. (AMS) (Cheng et al., 2012) и перистальтические насосные системы в микрофлюидной платформе (Conde et al., 2014). Также сообщалось о преимуществах ручного инструмента, созданного путем объединения моделей LEGO с материалами для 3D-печати (Owens & Hart, 2018). В будущем эти инструменты могут быть использованы в химическом образовании.

Ссылки

Альберт Д. Р., Тодт М. А. и Дэвис Х. Ф. (2012). Недорогой количественный абсорбционный спектрофотометр. Журнал химического образования , 89 , 1432–1435.https://doi.org/10.1021/ed200829d. Искать в Google Scholar

Анунсон, П. Н., Винклер, Г. Р., Винклер, Дж. Р., Паркинсон, Б. А., и Кристус, Дж. Д. С. (2013). Вовлечение студентов в совместный проект по поиску недорогих и стабильных материалов для солнечного фотоэлектролиза. Журнал химического образования , 90 , 1333–1340. https://doi.org/10.1021/ed300574x. Искать в Google Scholar

Asheim, J., Kvittingen, E. V., Kvittingen, L., & Verley, R.(2014). Простой малогабаритный колориметр LEGO со светодиодом, который используется в качестве детектора. Журнал химического образования , 91 , 1037–1039. https://doi.org/10.1021/ed400838n. Искать в Google Scholar

Буго-Робен, К., Пэджет, Дж., Аткинс, С. К., и Эдель, Дж. Б. (2016). Оптимизация и конструкция спектрометра поглощения, управляемого с помощью Raspberry Pi, для улучшения аналитических навыков. Журнал химического образования , 93 , 1232–1240.https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.5b01006. Искать в Google Scholar

Bouza, M.-E., Nastou, A., Panigyraki, C., & Makedonas, C. (2019). Внедрение спектрофотометрии в школьной лаборатории с использованием кирпичей LEGO и светодиодов. Chemistry Teacher International , 1 , 20180012. https://doi.org/10.1515/cti-2018-0012. Искать в Google Scholar

Кэмпбелл, Д. Дж., Фрейдингер, Э. Р. и Квернс, М. К. (2001). Самопроизвольная сборка магнитных кубиков LEGO. Учитель-химик , 6 , 321–323.https://doi.org/10.1007/s00897010517a. Искать в Google Scholar

Кэмпбелл, Д. Дж., Миллер, Дж. Д., Бэннон, С. Дж., И Обермайер, Л. М. (2011). Исследование наномира с помощью кубиков LEGO. Журнал химического образования , 88 , 602–606. https://doi.org/10.1021/ed100673k. Искать в Google Scholar

Кэмпбелл, Д. Дж., Брюэр, Э. Р., Мартинес, К. А., и Фицьярральд, Т. Дж. (2017). Использование бусинок и разделенных контейнеров для изучения кинетических и равновесных изотопных эффектов в лаборатории и в классе. Журнал химического образования , 94 , 1118–1123. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.6b01004. Искать в Google Scholar

Caputo, M., Lyles, J. T., Salazar, M. S., & Quave, C. L. (2020). Коллектор фракций LEGO Mindstorms: недорогой инструмент для препаративной системы высокоэффективной жидкостной хроматографии. Аналитическая химия , 92 , 1687–1690. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.9b04299. Искать в Google Scholar

Cheng, S.-C., Huang, M.-Z., Wu, L.-C., Chou, C.-C., Cheng, C.-N., Jhang, S.-S., & Shiea, J. ( 2012). Строительные блоки для разработки интерфейса для высокопроизводительной тонкослойной хроматографии / масс-спектрометрического анализа окружающей среды: зеленая методология. Аналитическая химия , 84 , 5864–5868. https://doi.org/10.1021/ac301178w. Искать в Google Scholar

Cloonan, C. A., Nichol, C. A., & Hutchinson, J. S. (2011). Понимание кинетики химической реакции и равновесия с помощью взаимосвязанных строительных блоков. Журнал химического образования , 88 , 1400–1403. https://doi.org/10.1021/ed1010773. Искать в Google Scholar

Conde, A. J., Batalla, M., Cerda, B., Mykhaylyk, O., Plank, C., Podhajcer, O.,… Policastro, L. (2014). Создание непрерывного потока магнитолипосом в недорогой портативной микрофлюидной платформе. Лаборатория на чипе , 14 , 4506–4512. https://doi.org/10.1039/c4lc00839a. Искать в Google Scholar

Нобелевская лекция Эй-ичи Негиси.(2010). Получено в июле 2020 г. по адресу https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2010/negishi/lecture/ . Ищите в Google Scholar

Электроотрицательность, из Википедии, бесплатной энциклопедии. (нет данных). Получено в июле 2020 г. с сайта https://en.wikipedia.org/wiki/Electronegativity . Ищите в Google Scholar

Enthaler, S. (2017). Иллюстрирует производство пластмасс и переработку пластмасс в конце срока службы с помощью взаимосвязанных строительных блоков. Журнал химического образования , 94 , 1746–1751.https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.6b00888. Выполните поиск в Google Scholar

Веб-сайт LEGO ^® Эрика Харшбаргера. (n.d.) Получено в июле 2020 г. с сайта http://www.ericharshbarger.org/lego/index.html . Ищите в Google Scholar

Изучение наномира с помощью кубиков LEGO ^® . (2008). Получено в июле 2020 г. по адресу https://chem.beloit.edu/edetc/LEGO/index.html . Ищите в Google Scholar

Fatemah, A. Rasool, S., & Habib, U. (2020). Интерактивная трехмерная визуализация диаграмм химической структуры, встроенных в текст, для облегчения процесса пространственного обучения студентов. Журнал химического образования , 97 , 992–1000. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.9b00690. Ищите в Google Scholar

Fieberg, J. E. (2012). Визуализация хода реакции, геометрии и нестабильности переходного состояния. Журнал химического образования , 89 , 1174–1177. https://doi.org/10.1021/ed100977e. Ищите в Google Scholar

Fourches, D., & Feducia, J. (2019). Работа с трехмерной печатью под руководством студентов на курсах больших лекций: практическое руководство. Журнал химического образования , 96 , 291–295. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.8b00346. Искать в Google Scholar

Гарви, К. Дж., Хаммер, Д. М., Прасертчунг, С., Гомар-Надаль, Э., Хайнс, Д. Р., Миллер, Дж. Д. и Кэмпбелл, Д. Дж. (2008). Демонстрация фотолитографии с кубиками LEGO. Учитель-химик , 13 , 348–350. https://doi.org/10.1333/s00897082169a. Ищите в Google Scholar

Гейер, М. Дж. (2017). Использование взаимосвязанных игрушечных строительных блоков для оценки концептуального понимания химии. Журнал химического образования , 94 , 202–205. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.6b00551. Искать в Google Scholar

Goss, V., Brandt, S., & Lieberman, M. (2013). Аналоговый атомно-силовой микроскоп: измерение, моделирование и построение графиков для средней школы. Журнал химического образования , 90 , 358–360. https://doi.org/10.1021/ed200704j. Ищите в Google Scholar

Hendrix, S.P., & Prilliman, S.G. (2018). Измерение силы между магнитами по аналогии с законом Кулона. Журнал химического образования , 95 , 833–836. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.7b00580. Искать в Google Scholar

Horikoshi, R. (2015a). Иллюстрация катализа с взаимосвязанными строительными блоками: катализируемые палладием реакции кросс-сочетания арилгалогенидов с замещенными гетероатомом аренами. Журнал химического образования (CEJ) , 17 , 101. Поиск в Google Scholar

Хорикоши, Р. (2015b). Иллюстрация катализа с взаимосвязанными строительными блоками: комплекс BINAP-рутений, катализируемый асимметричным гидрированием. Журнал химического образования , 92 , 332–335. https://doi.org/10.1021/ed500484u. Ищите в Google Scholar

Horikoshi, R. (2017). Иллюстрация взаимосвязей структура-свойства с помощью взаимосвязанных моделей строительных блоков: амилопектин, амилоза и целлюлоза. Учитель-химик , 22 , 191–194. https://doi.org/10.1333/s00897172774a. Искать в Google Scholar

Хорикоши, Р., Кобаяши, Ю., & Кагеяма, Х. (2013). Иллюстрация катализа с взаимосвязанными строительными блоками: корреляция между структурой металлоценового катализатора и стереорегулярностью полипропилена. Журнал химического образования , 90 , 620–622. https://doi.org/10.1021/ed200871c. Искать в Google Scholar

Хорикоши, Р., Кобаяши, Ю., & Кагеяма, Х. (2014). Иллюстрация катализа с взаимосвязанными строительными блоками: комплекс карбена рутения для реакций метатезиса олефинов. Журнал химического образования , 91 , 255–258. https://doi.org/10.1021/ed400413k. Ищите в Google Scholar

Hosker, B. S. (2018). Демонстрация принципов спектрофотометрии путем создания простого, недорогого, функционального спектрофотометра, использующего датчик освещенности на смартфоне. Журнал химического образования , 95 , 178–181. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.7b00548. Искать в Google Scholar

Hudson, R., Leaman, D., Kawamura, K. E., Esdale, K. N., Glaisher, S., Bishop, A., & Katz, J. L. (2016). Изучение показателей зеленой химии с помощью взаимосвязанных молекулярных моделей строительных блоков. Журнал химического образования , 93 , 691–694. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.5b00696. Искать в Google Scholar

Kerr, S.(2020). Моделирование химических реакций . Получено за декабрь 2020 г. с https://www.youtube.com/watch?v=ntt12_mnK_E. Искать в Google Scholar

Knagge, K., & Raftery, D. (2002). Создание и оценка спектрофотометра LEGO для использования студентами. Учитель-химик , 7 , 371–375. https://doi.org/10.1007/s00897020615a. Ищите в Google Scholar

Kocanda, M., Wilke, B.M., & Ballantine, D. S. (2010). Использование робототехнических комплектов LEGO Mindstorms NXTTM в качестве спектрофотометрического инструмента. Международный журнал интеллектуальных датчиков и интеллектуальных систем , 3 , 400–410. https://doi.org/10.21307/ijssis-2017-400. Искать в Google Scholar

Kuntzleman, T. S. (2015). Бутылка с динамической плотностью: практическое руководство по изучению плотности. Журнал химического образования , 92 , 1503–1506. https://doi.org/10.1021/ed500830w. Искать в Google Scholar

Kuntzleman, T. S., Rohrer, K. N., Baldwin, B.W .; Кингсли, Дж., Шерер, К. Л., Сэйерс, Д. К., и Уэст, В. Б. (2013). Создание аннотированной таблицы Менделеева из взаимосвязанных строительных блоков: национальная неделя химии для людей всех возрастов. Журнал химического образования , 90 , 1346–1348. https://doi.org/10.1021/ed300849k. Искать в Google Scholar

Kvittingen, L., & Sjursnes, B.J. (2020). Демонстрация основных свойств и применения поляриметрии с использованием поляриметра собственного изготовления. Журнал химического образования , 97 (8), 2196–2202.https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.9b00763. Искать в Google Scholar

Квиттинген, Э. В., Квиттинген, Л., Сюрснес, Б. Дж., И Верли, Р. (2016). Простой и недорогой УФ-фотометр, использующий светодиоды как в качестве источника света, так и в качестве детектора. Журнал химического образования , 93 , 1814–1817. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.6b00156. Искать в Google Scholar

Квиттинген, Э. В., Квиттинген, Л., Мелё, Т. Б., Сюрснес, Б. Дж., И Верли, Р. (2017). Демонстрация основных свойств спектроскопии с использованием комбинированного флуориметра и УФ-фотометра собственного изготовления. Журнал химического образования , 94 , 1486–1491. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.7b00121. Ищите в Google Scholar

Lauwaert, M. (2008). Играйте нестандартно — с игрушками LEGO и меняющимся миром конструирования. История и технология , 24 , 221–237. https://doi.org/10.1080/073415108010. Искать в Google Scholar

Лин, Х. Дж., Лехоанг, Дж., Кван, И., Багаи, А., Прасад, П., Ха-Чен, С. Дж.,… Вудс, Дж. Д. (2018).Кубики LEGO и правило октетов: молекулярные модели биохимических путей из пластмассовых, взаимосвязанных игрушечных кубиков. Биохимия и молекулярная биология Образование , 46 , 54–57. https://doi.org/10.1002/bmb.21090. Ищите в Google Scholar

Lipkowitz, D. (2018). Книга LEGO . Нью-Йорк: DK Publishing Limited. Искать в Google Scholar

Macori, G., Romano, A., Decastelli, L., & Cotter, P. D. (2017). Создайте прочтение: практическое задание для ознакомления студентов-микробиологов с секвенированием ДНК и биоинформатикой следующего поколения. Журнал микробиологического и биологического образования , 18 (3), 1. https://doi.org/10.1128/jmbe.v18i3.1363. Искать в Google Scholar

Мелаку, С., Шрек, Дж. О., Гриффин, К., и Дабке, Р. Б. (2016). Сцепляющиеся игрушечные строительные блоки в качестве практических учебных модулей для слепых и слабовидящих студентов-химиков. Журнал химического образования , 93 , 1049–1055. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.5b00252. Искать в Google Scholar

Olson, J.А., Кальдерон, К. Э., Дулан, П. В., Менгельт, Э. А., Эллис, А. Б., Лисенский, Г. С., и Кэмпбелл, Д. Дж. (1999). Химия с магнитами на холодильник: от моделирования наноразмерных характеристик до изготовления композитов. Журнал химического образования , 76 , 1205–1211. https://doi.org/10.1021/ed076p1205. Ищите в Google Scholar

Owens, C.E., & Hart, A.J. (2018). Высокоточная модульная микрофлюидика путем микроплавления блокируемых блоков, полученных литьем под давлением. Лаборатория на чипе , 18 , 890–901. https://doi.org/10.1039/c7lc00951h. Ищите в Google Scholar

Profbonomi (2017). Химия с LEGO® . Получено в июле 2020 г. с сайта https://www.youtube.com/watch?v=8RKjzYW5Bhg. Искать в Google Scholar

Ruddick, K. R., & Parrill, A. L. (2012). Задание № 113 в классе JCE: Работа с блокировками в написании формул ионных соединений. Журнал химического образования , 89 , 1436–1438.https://doi.org/10.1021/ed200513y. Искать в Google Scholar

Sanii, B. (2020). Создание файлов USDZ с дополненной реальностью для визуализации 3D-объектов на телефонах учащихся в классе. Журнал химического образования , 97 , 253–257. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.9b00577. Искать в Google Scholar

Савченков А.В. (2020). Разработка трехмерных моделей, которые можно распечатать по запросу и использовать со студентами для облегчения обучения молекулярной структуре, симметрии и связанным темам. Журнал химического образования , 97 , 1682–1687. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.0c00192. Ищите в Google Scholar

Scarborough, L. (2016). QT строит химические уравнения с помощью Legos . Получено за декабрь 2020 г. с https://www.youtube.com/watch?v=pWZQvqtV3QY. Искать в Google Scholar

Точная структура ДНК из ЯПОНИИ. (нет данных). Получено за июль 2020 г. с сайта https://ideas.lego.com/projects/b4f75f16-d624-4129-aee9-d377dce10a7d . Ищите в Google Scholar

Образовательное сообщество LEGO ^® уже существует! (п.д.). Получено за июль 2020 г. с сайта https://education.lego.com/en-gb . Ищите в Google Scholar

The 8 Orange Community * ранее 8 Gold * (2017). Моделирование закона сохранения массы с помощью LEGO (Раузат, Ааширвад, Нико, Никхита) . Получено за декабрь 2020 г. с https://www.youtube.com/watch?v=ib8SlorFqfQ. Искать в Google Scholar

Varra, T., Simpson, A., Roesler, B., Nilsson, Z., Ryan, D., Van Erdewyk, M.,… Sambur, J. B. (2020). Самодельный смартфонный микроскоп для одночастичной флуоресцентной микроскопии. Журнал химического образования , 97 , 471–478. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.9b00670. Ищите в Google Scholar

Xian, J., & King, D. B. (2020). Обучение темам кинетики и равновесия с использованием взаимосвязанных строительных кирпичей в практических занятиях. Журнал химического образования , 97 , 466–470. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.9b00515. Ищите в Google Scholar

Wilson, M. V., & Wilson, E. (2017). Аутентичная работа в лаборатории инструментального анализа: создание прототипа спектрофотометра видимого диапазона. Журнал химического образования , 94 , 44–51. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.6b00515. Искать в Google Scholar

Эти новые детали Lego сделаны из экологически безопасного пластика

Это не из-за отсутствия попыток. Кирпичи-прототипы сделаны из экологически чистого пластика (Lego не уточняет, какой именно), но Брукс говорит, что, хотя они хорошо смотрятся на фотографиях, они страдают от мраморности цвета и не имеют точной силы сцепления, которая удерживает сборки Lego вместе.

Итальянская компания Bio-On тем временем производит копии Lego из полигидроксиалканоатов, или PHA, полимера, полученного из штамма бактерий.Они выглядят как Lego и складываются как Lego, но в долгосрочной перспективе, по словам Хьюедж, они не действуют как Lego. И вот что важно.

«Они разработали продукт меньшего масштаба», — говорит он. «У них есть возможность сделать что-то, похожее на Lego. Проблема в том, что почти наверняка не будет требований Lego к материалам, независимо от того, как они это обрабатывают».

Потенциально более многообещающей альтернативой может быть ABL, недавно разработанный в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси.ABL использует тот же акрилонитрил и бутадиен, что и ABS, но меняет лигнин, биологический материал, на стирол последнего, полученный из нефти.

«Вариант ABL может быть решением», — говорит соавтор ABL Амит Наскар, который также отмечает, что ABL в настоящее время не является идеальной заменой ABS один на один; это не так сложно, и в нем больше растяжения. «Или, может быть, это другой вид возобновляемой энергии. Ученые всего мира работают над возобновляемым материалом». Наверняка один из них подойдет Lego.

Для этого — и да, становится все труднее — им также придется придумать полимер, который, как, вероятно, делает полиэтилен, подходит для существующего производственного процесса Lego.

«Это секрет. Во многом это то, как мы делаем кирпичи, как оптимизируем машины», — говорит Брукс. «Различные материалы работают по-разному. Некоторые материалы гигроскопичны, а некоторые гидрофобны. Некоторые из них пыльные, а некоторые нет. У некоторых высокий статический заряд, а у некоторых низкий. .Есть много разных соображений «.

2030 или Bust

У Lego есть еще 12 лет, чтобы выяснить, как использовать экологически чистые материалы для изготовления оставшихся 98 процентов своих пластиковых элементов. Скорее всего, уже собраны, это устрашающая цель. Однако это не невозможно. Вот как компания может к этому прийти.

Начните с того, что уже сделано: эти кусочки биополиэтилена. Возможно, для Lego дороже, но не что-то, что можно перевести через остальную часть строки, но с чего-то нужно начинать.(Возникает также вопрос, насколько экологически безопасен биополиэтилен, учитывая энергоемкость процесса, необходимого для его производства, но давайте пока отложим это.)

Далее: 19 других типов пластика, из которых состоит остальная часть строки. Важно отметить, что Lego не обязательно будет искать 19 идеальных замен один к одному.

«Мы можем получить больше, мы можем получить меньше», — говорит Брукс. «Некоторые материалы, которые мы находим, могут выполнять функцию некоторых, которые есть у нас сегодня, или может быть наоборот.Для функции, которую мы получаем от одного материала, в зависимости от его применения и формы, может потребоваться несколько материалов ».

Все эти условия, опять же, проистекают из того факта, что эти материалы еще не существуют, по крайней мере, в количественном отношении. , и даже 2030 год может оказаться недостаточно долгим сроком для их поиска и массового производства.

«Даже через 12 лет они смогут изготавливать каждый кирпичик из заводов в лаборатории в небольшом масштабе, но продавать в магазинах каждый кирпичик будет непросто », — говорит Хьюедж, исследователь биохимии.

Но может и не нужно. Компания Lego также считает переработанный пластик — не настоящие кирпичи Lego, которые, как правило, передаются из поколения в поколение, а пластик ABS в целом — экологически безопасным источником. Использование переработанного материала сопряжено со своими проблемами, особенно с контролем качества и воспроизведением цвета. Но сочетания разработки достаточного количества полимеров на биологической основе и получения достаточного количества высококачественного переработанного АБС может быть достаточно, чтобы Lego добралась до финишной черты.

«Некоторые кирпичи будут из вторичного сырья, некоторые — на биологической основе», — говорит Брукс.«Вероятно, именно здесь мы и выберемся».

Другие придерживаются еще более оптимистичного взгляда. «Если они нацелены на 2030 год, это, безусловно, выполнимо», — говорит Наскар из Окриджа.

В этом пространстве делается слишком много работы, предполагает он, чтобы что-то не щелкнуло.

---

Больше WIRED Gear

---

Хотите больше новостей и обзоров, которые вы можете использовать? Подпишитесь на рассылку новостей Gadget Lab.

кубиков LEGO® как строительные блоки для биологических сред сантиметрового размера: на примере растений

PLoS One.2014; 9 (6): e100867.

, ¹ , ^{1 , 2 , ¤} , ^{1 , 2} , ^{1 , 3} и ^{1 , 2 , 4 , *}

Кара Р. Линд

¹ Департамент материаловедения и инженерии, Государственный университет Айовы, Эймс, Айова, Соединенные Штаты Америки,

Том Сизмур

¹ Департамент материаловедения и инженерии, Государственный университет Айовы, Эймс, Айова, Соединенные Штаты Америки,

² Лаборатория Эймса, Министерство энергетики США, Университет штата Айова, Эймс, Айова, Соединенные Штаты Америки,

Сайда Беномар

¹ Департамент материаловедения и инженерии, Государственный университет Айовы, Эймс, Айова, Соединенные Штаты Америки,

² Лаборатория Эймса, Министерство энергетики США, Университет штата Айова, Эймс, Айова, Соединенные Штаты Америки,

Энтони Миллер

¹ Департамент материаловедения и инженерии, Государственный университет Айовы, Эймс, Айова, Соединенные Штаты Америки,

³ Кафедра агрономии, Государственный университет Айовы, Эймс, Айова, Соединенные Штаты Америки,

Людовико Кадемартири

¹ Департамент материаловедения и инженерии, Государственный университет Айовы, Эймс, Айова, Соединенные Штаты Америки,

² Лаборатория Эймса, Министерство энергетики США, Университет штата Айова, Эймс, Айова, Соединенные Штаты Америки,

⁴ Департамент химической и биологической инженерии, Государственный университет Айовы, Эймс, Айова, Соединенные Штаты Америки,

Маттиас Риллиг, редактор

¹ Департамент материаловедения и инженерии, Государственный университет Айовы, Эймс, Айова, Соединенные Штаты Америки,

² Лаборатория Эймса, Министерство энергетики США, Университет штата Айова, Эймс, Айова, Соединенные Штаты Америки,

³ Кафедра агрономии, Государственный университет Айовы, Эймс, Айова, Соединенные Штаты Америки,

⁴ Департамент химической и биологической инженерии, Государственный университет Айовы, Эймс, Айова, Соединенные Штаты Америки,

Свободный университет Берлина, Германия,

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что никаких конкурирующих интересов не существует.

Задумал и спроектировал эксперименты: LC. Проведены опыты: ХРЛ ЦС СБ АМ. Проанализированы данные: TS LC. Внесенные реагенты / материалы / инструменты анализа: LC. Участвовал в написании рукописи: LC TS SB KRL.

^¤ Текущий адрес: Департамент устойчивых почвенных и пастбищных систем, Rothamsted Research, Харпенден, Хартфордшир, Соединенное Королевство

Получено 4 апреля 2014 г .; Принято 31 мая 2014 г.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего указания автора и источника.

Эта статья цитируется в других статьях в PMC.

Дополнительные материалы

Приложения S1: Материалы, методы и процедуры для создания (i) базовых сред на основе LEGO, (ii) сред на основе LEGO с линейными химическими градиентами, (iii) сред на основе LEGO с цилиндрические химические градиенты, (iv) более крупномасштабная среда на основе LEGO. Демонстрация среды на основе LEGO, сочетающей контролируемые препятствия, воздушные карманы и несколько химических градиентов.Расчет минимально возможной среды на основе LEGO. Ограничения, открытые вопросы и неудачные эксперименты.

(PDF)

GUID: 88800468-A78E-4E70-A314-FBADEFD72714

Рисунок S1: Сводные снимки сборки базовой среды для выращивания растений на основе LEGO.

(TIF)

GUID: 611EF511-57F8-4872-B49A-3223CD52905A

Рисунок S2: Сводные снимки этапов анализа корней с использованием WinRhizo двух корней brassica rapa , выращенных в среде для выращивания растений на основе LEGO.

(TIF)

GUID: 01259CA0-DB1D-4354-B321-566A7B47EC99

Рисунок S3: Снимки процедуры создания линейных элементов (твердых препятствий, воздушных карманов и химических градиентов) в однородном геле с помощью кирпичей LEGO.

(TIF)

GUID: 0EE95532-8B79-4713-93F9-D5A949E202CF

Рисунок S4: Снимки процедуры создания двумерных элементов (твердых препятствий, воздушных карманов и цилиндрических химических градиентов) в однородных гелях с использованием Кубики LEGO.

(TIF)

GUID: 752E91FA-9D58-4260-9305-4AAB1B24910F

Рисунок S5: Фотография трехмерной среды роста растений на основе кубиков LEGO с тремя различными типами неоднородностей: сплошным барьером (вверху слева) и воздушный карман (внизу справа) и два различных цилиндрических химических градиента (вверху справа и внизу слева).

(TIF)

GUID: B2775D2D-F7F5-4167-9978-D373F8B456EA

Рисунок S6: Изображение самой маленькой среды на основе LEGO.

(TIF)

GUID: 1F88EE3D-EB89-4F0A-8935-007D343227FD

Movie S1: Сборка базовой среды на основе LEGO.

(M4V)

GUID: 6D8015B9-39C0-40C7-BA46-C7F127942B68

Movie S2: Процедура сбора растений в базовой среде на основе LEGO.

(M4V)

GUID: 8AE84AC6-51B7-49CB-9646-208A750BBC3C

Таблица S1: Приготовление солевых растворов для эксперимента с красителем цилиндрической формы.

(PDF)

GUID: 1DB1FF0E-139A-423C-9E72-86372657C46A

Заявление о доступности данных

Авторы подтверждают, что все данные, лежащие в основе результатов, полностью доступны без ограничений.Все соответствующие данные находятся в документе и его файлах с вспомогательной информацией.

Abstract

Кубики LEGO — это коммерчески доступные соединяющиеся части из пластика, которые обычно используются в качестве игрушек. Мы описываем их использование для создания инженерной среды для биологических систем сантиметрового масштаба, в частности корней растений. В частности, мы используем уникальную модульность этих строительных блоков для создания недорогих, прозрачных, реконфигурируемых и хорошо масштабируемых сред для роста растений, в которых структурные препятствия и химические градиенты могут быть точно спроектированы для имитации почвы.

Введение

Микрофлюидика [1] и другие инженерные среды [5], [6] могут создавать строго контролируемые микрометровые среды для исследования систем моделей организмов (например, клеток млекопитающих). Однако ученые или инженеры, заинтересованные в управлении окружающей средой организмов сантиметрового масштаба (например, растений), имеют в своем распоряжении очень мало удобных инструментов [7], [8]. Эта нехватка частично объясняется высокими требованиями к дизайну, связанными с более крупными масштабами (например,г., стоимость). Эта ответственность особенно очевидна при изучении растений и их корневых систем.

Важным предметом исследования является развитие растений в почве. Обеспечение продовольствием мирового населения находится под серьезным давлением (прогнозируется, что наши запасы продовольствия будут намного ниже спроса к 2050 году [9]) и зависят от корней растений [10] (97,6% мирового потребления калорий приходится на растения. [11]). Корни влияют на урожайность растения и на то, выдержит ли оно стрессы.Мы знаем, что на рост корней сильно влияет окружающая среда, почва, но наше механистическое понимание этих эффектов несовершенно [10], [12] и сильно ограничено техническими проблемами.

Разработка рута — сложный процесс для экспериментального изучения. (i) Растения обладают сильно изменчивой корневой системой, даже если они генетически идентичны [13]. (ii) Корни чрезвычайно чувствительны к различным раздражителям (например, к гравитации, свету, прикосновению, влаге, питательным веществам, кислороду, температуре, травмам, электрическим полям [14]).(iii) Любой объем почвы уникален и невозможно точно воспроизвести [15], [16]. (iv) Его неоднородность делает его непрозрачным для большинства форм излучения [17]. (v) Его структурные и химические характеристики (т.е. пористость, химический состав поверхности, градиенты питательных веществ, градиенты кислорода, объемный состав, почвенная биота) нельзя изменять независимо друг от друга.

Один из способов избежать этой сложности — охарактеризовать рост растений в беспочвенных средах, например, в гидрогелях, бумаге, стеклянных шариках, песке. Эти системы менее неоднородны и невоспроизводимы, чем почва, и могут быть изменены — обычно в ограниченной степени — для имитации свойств почвы, таких как химический состав [18], физическая структура [19], [20], доступность воды [21], показатель преломления. [22] или механическая прочность [23].Однако отсутствие модульности, универсальности, структурной точности и очень ограниченный контроль над структурными и химическими неоднородностями в этих системах сильно ограничивают тип, сложность и воспроизводимость экспериментов, которые они могут проводить. Микрожидкостные подходы предлагают захватывающие возможности для изучения корней растений, но они подвержены ограничениям по их пропускной способности и размеру растений, которые они могут содержать [4], [24], [25].

Здесь мы демонстрируем, что кубики LEGO — очень удобные и универсальные строительные блоки для создания инженерной среды в сантиметровом масштабе для корней растений.Их модульность позволяет создавать среды с строго контролируемыми структурными и химическими неоднородностями, которые подходят для удобных количественных исследований воздействия окружающей среды на фенотипы растений [26].

Проектирование системы

Удобная экспериментальная платформа для изучения развития корневой системы в контролируемых средах должна удовлетворять строгому набору проектных ограничений. Кубики LEGO, задуманные и продаваемые как игрушки, удовлетворяют этим ограничениям.

Модульность

Модульные системы могут создавать множество структурно различных сред из нескольких различных компонентов.Возможности могут быть добавлены или удалены без восстановления всей экспериментальной установки. Конструкции LEGO имеют модульную конструкцию. Наименьшие кирпичи 8 x 8 x 6 мм. Самые большие из них 48 x 8 x 50 мм. Количество различных структур, которые можно сделать с помощью этих агрегатов, ошеломляет: шесть одинаковых кирпичей могут образовывать почти миллиард различных структур [27].

Масштабируемость

Ограничение может повлиять на физиологию организма [28]. Возможность создавать экспериментальные платформы различных размеров позволяет исследователям изучать любые растения и их ансамбли.Структуры LEGO можно легко масштабировать для размещения различных видов растений: самая маленькая замкнутая среда, которую можно создать из кубиков LEGO, имеет объем 0,35 см ³ , и теоретически возможно создать структуры LEGO, способные вместить самые большие виды растений.

Структурно точная

Корни чувствительны к физической структуре окружающей их среды. Например, для изучения тигмотропизма корня (реакции корня на прикосновение) требуются структуры точного размера и формы.Формы, используемые для производства кирпичей LEGO, имеют точность в пределах 5 мкм [29], что сопоставимо с диаметром корневого волоска и разрешением 3D-печати (минимальная толщина слоя составляет ∼50 мкм в некоторых из лучших современных моделей). .

Возможность увеличения уровня сложности

Хорошая модельная система позволяет контролируемое введение экспериментальных переменных. Кирпичи LEGO можно использовать, как показано ниже, для создания физических барьеров, воздушных карманов, химических градиентов и соединительных камер для управления средой роста растения.

Простота

Простота настройки снижает риск систематических ошибок, вызванных оператором. В отличие от микрофлюидных подходов, сборка конструкций из кубиков LEGO не требует технической подготовки, поэтому студенты бакалавриата могут проводить эксперименты с заводами на основе кубиков LEGO с первого дня в лаборатории. Простые эксперименты, демонстрирующие фундаментальные принципы роста растений (например, тропизмы) или поощряющие экспериментальное творчество, могут проводиться школьниками всех возрастов на уроках естествознания [30].

Воспроизводимость

Экспериментальные платформы для корней растений (например, песчаные колонны, ризотроны, горшки с раздвоенным корнем) обычно изготавливаются с нуля. Их воспроизводимость между лабораториями или на разных континентах не может быть гарантирована. Уникальным преимуществом кубиков LEGO является то, что кубики, купленные отдельными партиями, по сути идентичны и совместимы друг с другом в прямом и обратном направлении. Эксперименты, созданные из кубиков LEGO, можно точно воспроизвести в любой точке мира.

Доступность

Чем дороже каждый эксперимент, тем меньше экспериментов можно провести с ограниченными ресурсами.Этот факт особенно важен для развивающихся стран [31] и в исследовательских областях, таких как растениеводство, где пропускная способность является важным параметром. Отдельные кубики LEGO стоят от 0,10 до 1 доллара США и продаются по всему миру. Конструкция LEGO, способная выращивать растения, стоит 3,1 доллара и может использоваться повторно: некоторые кубики LEGO в нашей лаборатории почти постоянно используются в течение двух лет.

Высокая производительность

Возможность проводить большое количество экспериментов одновременно имеет важное значение для установления, например, взаимосвязей генотип-окружающая среда-фенотип [32].Конструкцию LEGO, подобную показанной на рисунке, можно собрать менее чем за минуту.

Схема процесса проведения эксперимента по выращиванию растений с использованием кубиков LEGO в качестве строительных блоков.

Этот же процесс можно использовать для создания прототипов и изготовления других биологических экспериментов.

Прозрачность

Двадцать восемь различных кубиков LEGO сделаны из прозрачного поликарбоната, которые можно собирать в прозрачные конструкции для мониторинга корней растений в реальном времени с течением времени.

Автоклавируемый

Культуры тканей требуют стерильных условий. Прозрачные кирпичи LEGO (за исключением больших базовых пластин) можно автоклавировать из-за их поликарбонатного состава: они по-прежнему подходят друг к другу так же, как и до автоклавирования, и остаются прозрачными после более чем 50 циклов автоклавирования. Непрозрачные кирпичи LEGO изготовлены из блок-сополимера акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС) и могут быть стерилизованы этанолом или отбеливателем.

Трехмерность

В то время как 2D-платформы предлагают значительные преимущества с точки зрения визуализации и практичности [33], трехмерные среды более репрезентативны для естественной среды корней [34].Кубики LEGO позволяют создавать почти произвольные трехмерные конструкции.

Химическая инертность

Законодательные стандарты обеспечивают безопасность детей кубиков LEGO, продаваемых в США и ЕС. Эти стандарты включают максимальные уровни растворимости токсичных или опасных веществ.

Совместимость с существующими средами роста

Инструменты, которые интегрируются с существующими экспериментальными платформами, часто оказываются наиболее полезными. Модульность структур LEGO позволяет им интегрироваться с лабораторными протоколами. E.g., конструкции LEGO могут удерживать гель, бусинки, песок, почву, элементы, напечатанные на 3D-принтере, или быть структурно точными элементами в других установках [35].

Результаты и обсуждение

показывает блок-схему проектирования, сборки, разборки и повторной сборки эксперимента на основе кубиков LEGO. Веб-сайт LEGO Group (www.lego.com) предоставляет бесплатное программное обеспечение (LEGO Digital Designer, LDD) для проектирования конструкций в стиле САПР с использованием любого доступного кубика LEGO. Программа выводит пошаговое руководство по сборке и список необходимых деталей.Отдельные кубики можно приобрести в разделе «Выберите кирпич» на сайте www.lego.com или в других торговых точках (например, в местных магазинах LEGO, EBay). Стерилизацию кубиков LEGO можно проводить до или после сборки. Сохранение стерильности требует, чтобы конструкция содержалась в стерильном контейнере в ходе эксперимента.

Простейший пример среды прорастания и роста растений на основе кубиков LEGO показан на рисунке. Кубики LEGO собраны в контейнер, содержащий среду для роста корней, на которой прорастают и выращивают семя: например, на изображении Brassica rapa , Wisconsin Fast Plant, Astroplant, dwf1 , растущего на прозрачном гидрогеле, Геллановая камедь.Хотя гелевые среды для роста корней очень часто используются в экспериментах [26], они не являются лучшими имитаторами почвы: архитектура корней, выращенных в гомогенной среде, не будет соответствовать архитектуре растений, выращиваемых в реальной почве [36]. Однако гелевые среды позволяют нам продемонстрировать три основные возможности биологических сред на основе LEGO: их способность удерживать жидкости, их совместимость с наблюдениями в реальном времени и анализом корневой структуры, а также их использование для создания реконфигурируемых сред, включающих контролируемые неоднородности.Кроме того, среды LEGO не ограничиваются гелевыми средами: среда, показанная на рисунке, может содержать другие среды по выбору, например, песок, перлит, почву.

Поскольку конструкции, построенные из кубиков LEGO, не являются водонепроницаемыми, их использование для удержания гелей требует некоторых хитростей (подробности см. В разделе «Вспомогательная информация» и в видеоролике S1 для демонстрации). Конструкцию LEGO необходимо охладить в морозильной камере, прежде чем налить в нее холодный гелевый раствор непосредственно перед застыванием. При таком подходе утечка гелевого раствора была минимальной.Эти базовые условия можно легко масштабировать в соответствии с размерами рассматриваемого организма и временем, в течение которого организм может расти. показать использование кубиков LEGO для создания контейнеров самых разных размеров (5 × 5 × 5 см, 10 × 10 × 5 см и 20 × 20 × 10 см) для выращивания быстрых растений, Triticum polonicum (пшеница). и Zea mays (Кукуруза).

Универсальность, прозрачность и модульность сред на основе LEGO для выращивания растений.

a-c) изображения основных сред на основе LEGO, в которых выращиваются быстрые растения, пшеница и кукуруза.Размер окружающей среды можно контролировать в соответствии с размером рассматриваемого организма. г) Таймлапс-визуализация развития корня Lepidium sativum через стенки среды на основе LEGO. На изображениях указано время, прошедшее с момента прорастания. д) Примеры системы на основе LEGO, которая позволяет динамически изменять окружающую среду растения. Два растения (Fast Plants) выращивают в изолированной среде. Затем во время роста среда изменяется, чтобы два растения могли использовать одну и ту же среду и взаимодействовать.

Прозрачность и плоские стенки кубиков LEGO позволяют получать качественные изображения развития корневой системы в реальном времени. показывает покадровую съемку корней Lepidium sativum (кресс-салат) в течение 48 часов после прорастания в среде на основе LEGO. Это растение было выбрано из-за его относительно тонких корней (толщиной ~ 350 мкм), которые было бы трудно отобразить в плохо прозрачной системе.

Обратимый характер механической связи между кирпичами обеспечивает две важные возможности: создание реконфигурируемой биологической среды и строго контролируемых неоднородностей (т.е., твердые препятствия, воздушные карманы и градиенты химической и почвенной биоты) в однородной питательной среде. демонстрирует реконфигурируемую среду роста растений. Два Fast Plants выращивали в геле в отдельных контейнерах, собранных на одной базовой пластине. Кирпичные стены LEGO, разделяющие два контейнера, были сняты и преобразованы в один контейнер большего размера. Затем объем, разделяющий два растения, был заполнен большим количеством геля, соединяющим два растения по текучей среде. демонстрирует создание контролируемых неоднородностей в гомогенной гелевой среде для роста растений с помощью простой стратегии шаблонов, заимствованной из «инструментария» материаловедения.Желирующую смесь выливали в форму на основе LEGO. Элементы на основе LEGO в форме можно использовать в качестве твердых неоднородностей для изучения физического взаимодействия корней растений с твердыми объектами (тигмотропизм). После гелеобразования формы на основе LEGO можно было удалить, оставив после себя точно расположенные воздушные карманы, которые служили бы источниками градиентов кислорода в геле. Эти карманы затем могут быть повторно заполнены гидрогелем, содержащим желаемое химическое вещество, для создания точно позиционированных одномерных (нижняя левая панель) или двумерных (нижняя правая панель) градиентов питательных веществ.Вышеупомянутый процесс может быть объединен для создания сред с твердыми неоднородностями, воздушными карманами (то есть градиентами кислорода) и химическими градиентами (например, питательные вещества, токсины, сигнальные молекулы) одновременно (см. Приложения S1).

Изготовление контролируемых неоднородностей в среде роста растений.

Последовательность диаграмм и соответствующих изображений, иллюстрирующих создание одномерных и двухмерных неоднородностей (твердые элементы, воздушные карманы и химические градиенты) в развивающейся корневой системе быстрого растения.На нижних панелях красный линейный градиент относится к питательным веществам MS (краситель добавлен для наглядности), а радиальные градиенты относятся к фосфату калия (зеленый), нитрату калия (желтый), хлориду кальция (красный) и сульфату магния (синий). ).

Выводы

В итоге мы продемонстрировали, что окружающая среда на основе LEGO может (i) масштабироваться до размера рассматриваемого организма, (ii) обеспечивать мониторинг корневых систем в реальном времени в 3D, (iii) структурно реконфигурироваться для изменения окружающая среда организма во время его развития, и (iv) генерировать точно контролируемые неоднородности (т.е., твердые преграды, воздушные карманы, градиенты химического состава и почвенной биоты) в однородной среде для выращивания.

В этой рукописи также предлагается более широкая концепция: использование многоразовых и механически связанных строительных блоков для создания биологической среды для организмов и систем организмов сантиметрового масштаба. Модульные и многоразовые строительные блоки могут облегчить проблемы, связанные с крупномасштабными экспериментами в области науки о растениях, обеспечивая при этом новые возможности (например,g., контролируемые неоднородности, реконфигурируемые среды) для изучения воздействия окружающей среды на развитие биосистем. Кроме того, эта концепция предоставляет химикам-материалам и инженерам две стимулирующие возможности: (i) творчески участвовать в синтезе или разработке все более способных биологических сред сантиметрового масштаба для важных организмов, таких как растения, и (ii) использовать эти среды для тестирования гипотеза относительно растений, совместимых с их набором навыков. Замечательные возможности заключаются в расширении нашего подхода на химически синтезированные кирпичи, LEGO-совместимые кирпичи и объекты, напечатанные на 3D-принтере, а также коммерческие кирпичи от других производителей.Наша лаборатория представит набор интегрированных инструментов для создания скромных, но сложных [37] сантиметровых сред для изучения растений и других организмов [35].

Дополнительная информация

Приложения S1

Материалы, методы и процедуры для создания (i) базовых сред на основе LEGO, (ii) сред на основе LEGO с линейными химическими градиентами, (iii) сред на основе LEGO с цилиндрическими химические градиенты, (iv) более крупномасштабная среда на основе LEGO.Демонстрация среды на основе LEGO, сочетающей контролируемые препятствия, воздушные карманы и несколько химических градиентов. Расчет минимально возможной среды на основе LEGO. Ограничения, открытые вопросы и неудачные эксперименты.

(PDF)

Рисунок S1

Сводные снимки сборки базовой среды для выращивания растений на основе LEGO.

(TIF)

Рисунок S2

Сводные снимки этапов анализа корней с использованием WinRhizo двух корней brassica rapa , выращенных в среде для выращивания растений на основе LEGO.

(TIF)

Рисунок S3

Снимки процедуры создания линейных элементов (твердых препятствий, воздушных карманов и химических градиентов) в однородном геле с помощью кубиков LEGO.

(TIF)

Рисунок S4

Снимки процедуры создания двухмерных элементов (твердых препятствий, воздушных карманов и цилиндрических химических градиентов) в однородных гелях с использованием кирпичей LEGO.

(TIF)

Рисунок S5

Фотография трехмерной среды роста растений на основе кубиков LEGO с тремя различными типами неоднородностей: твердый барьер (вверху слева), воздушный карман (внизу справа) и два различных цилиндрических химических градиента (вверху справа и внизу слева).

(TIF)

Рисунок S6

Изображение самой маленькой среды на основе LEGO.

(TIF)

Movie S1

Сборка базовой среды на основе LEGO.

(M4V)

Movie S2

Процедура сбора растений из базовой среды на основе LEGO.

(M4V)

Таблица S1

Приготовление солевых растворов для эксперимента с красителем цилиндрической формы.

(PDF)

Благодарности

Мы благодарим доктора Др.Кулоту В. Шаджешу за ценные обсуждения и Уильяму Рекемейеру за помощь в лаборатории.

Отчет о финансировании

Работа была профинансирована Университетом штата Айова через грант на открытие проекта LC. Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Доступность данных

Авторы подтверждают, что все данные, лежащие в основе выводов, полностью доступны без ограничений. Все соответствующие данные находятся в документе и его файлах с вспомогательной информацией.

Список литературы

1. Хульме С.Е., Шевкопляс С.С., Апфельд Дж., Фонтана В., Уайтсайдс Г.М. (2007) Микросхема зажимов для иммобилизации и визуализации c-elegans. Лабораторный чип 7: 1515–1523. [PubMed] [Google Scholar] 2. Lucchetta EM, Lee JH, Fu LA, Patel NH, Ismagilov RF (2005) Динамика сети формирования эмбрионального паттерна дрозофилы, нарушенной в пространстве и времени с помощью микрофлюидики. Природа 434: 1134–1138. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 3. Lutolf MP, Hubbell JA (2005) Синтетические биоматериалы как инструктивные внеклеточные микросреды для морфогенеза в тканевой инженерии.Nat. Биотехнология 23: 47–55. [PubMed] [Google Scholar]

4. Парашар А., Пандей С. (2011) Растение в чипе: микрофлюидная система для изучения роста корней и патогенных взаимодействий у арабидопсиса. Прил. Phys. Lett. 98.

5. Derda R, Laromaine A, Mammoto A, Tang SKY, Mammoto T и др. (2009) 3D-культура клеток на бумажной основе для тканевых биоанализов. Proc. Natl. Акад. Sci. США. 106: 18457–18462. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 7. Кларк К.А., Крысан П.Дж. (2007) Протокол: усовершенствованный высокопроизводительный метод создания образцов тканей в 96-луночном формате для генотипирования растений (ice-cap 2.0). Методы растений 3. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] 8. Крысан П (2004) Ледяная шапка. Высокопроизводительный метод сбора образцов тканей растений для анализа генотипов. Физиология растений 135: 1162–1169. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 9. Рэй Д.К., Мюллер Н.Д., Западный ПК, Фоли Дж.А. (2013) Тенденции урожайности недостаточны для удвоения мирового урожая к 2050 году. PLoS ONE 8. [Бесплатная статья PMC] [PubMed]

11. ФАО (2009) Продовольственные балансы. Продовольственная и сельскохозяйственная организация Объединенных Наций.

12.де Дорлодот С., Форстер Б., Пажес Л., Прайс А., Тубероза Р. и др. (2007) Архитектура корневой системы: возможности и ограничения для генетического улучшения сельскохозяйственных культур. Тенденции Plant Sci 12: 474–481. [PubMed] [Google Scholar] 13. Султан С.Е. (2000) Фенотипическая пластичность для развития, функции и жизненного цикла растений. Тенденции Plant Sci 5: 537–542. [PubMed] [Google Scholar]

14. Гилрой С., Массон PH (2008) Тропизмы растений: Интернет-библиотека Wiley.

15. Нунан Н., Ву К., Янг И.М., Кроуфорд Дж. В., Ритц К. (2002) Пространственные структуры популяций почвенных бактерий in situ, нанесенные на карту в различных масштабах, в пахотной почве.Microb. Ecol 44: 296–305. [PubMed] [Google Scholar] 16. Янг И.М., Кроуфорд Дж. В. (2004) Взаимодействия и самоорганизация в комплексе почва-микроб. Наука 304: 1634–1637. [PubMed] [Google Scholar] 17. Трейси С.Р., Робертс Дж. А., Блэк С. Р., Макнил А., Дэвидсон Р. и др. (2010) X-фактор: Визуализация ненарушенной корневой архитектуры в почве с помощью рентгеновской компьютерной томографии. J. Exp. Бот 61: 311–313. [PubMed] [Google Scholar] 18. Чжан Х., Форде Б.Г. (1998) Ген-бокс у арабидопсиса, который контролирует вызванные питательными веществами изменения в архитектуре корня.Наука 279: 407–409. [PubMed] [Google Scholar] 19. Bengough AG, Hans J, Bransby MF, Valentine TA (2010) Piv как метод количественной оценки роста клеток корня и смещения частиц на конфокальных изображениях. Microsc. Res. Techniq 73: 27–36. [PubMed] [Google Scholar] 20. Massa GD, Gilroy S (2003) Touch модулирует ощущение силы тяжести, чтобы регулировать рост первичных корней Arabidopsis thaliana. Завод J 33: 435–445. [PubMed] [Google Scholar] 21. Эммерих В., Хардегри С. (1991) Прорастание семян в растворе полиэтиленгликоля: эффекты исключения фильтровальной бумаги и потери водяного пара.Crop Sci 31: 454–458. [Google Scholar] 22. Дауни Х., Холден Н., Оттен В., Спайерс А.Дж., Валентайн Т.А. и др. (2012) Прозрачный грунт для визуализации ризосферы. PLoS ONE 7: e44276. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 23. Whalley WR, Dodd IC, Watts CW, Webster CP, Phillips AL, et al. (2013) Генотипические вариации способности корней пшеницы проникать в слои воска. Растительная почва 364: 171–179. [Google Scholar] 24. Grossmann G, Guo WJ, Ehrhardt DW, Frommer WB, Sit RV и др. (2011) The rootchip: интегрированный микрожидкостный чип для науки о растениях.Растительная клетка 23: 4234–4240. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 25. Мейер М., Луккетта Е.М., Исмагилов Р.Ф. (2010) Химическая стимуляция корня арабидопсиса thaliana с использованием многоламинарного потока на микрофлюидном чипе. Лабораторный чип 10: 2147–2153. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]

26. Фиорани Ф., Шурр У. (2013) Сценарии будущего фенотипирования растений. В: Торговец СС, редактор. Ежегодный обзор биологии растений, том 64. Пало-Альто: Ежегодные обзоры. С. 267–291.

27. Абрахамсен М., Эйлерс С. (2011) Об асимптотическом перечислении структур lego.Exp. Математика 20: 145–152. [Google Scholar]

28. Poorter H, Bühler J, van Dusschoten D, Climent J, Postma JA (2012) Размер горшка имеет значение: метаанализ влияния объема укоренения на рост растений. Функциональная биология растений.

29. Группа LEGO (2013) Профиль компании группы LEGO.

30. Макнамара С., Сир М., Роджерс С., Братцель Б. (1999) Скульптуры из кубиков Lego и робототехника в образовании. Ежегодная конференция ASEE.

31. Whitesides G (2012) Экономный путь: обещание науки, ориентированной на рентабельность.The Economist: Мир в 2012 году.

32. Инграм П.А., Чжу Дж., Шариф А., Дэвис И.В., Бенфей П.Н. и др. (2012) Высокопроизводительная визуализация и анализ архитектуры корневой системы brachypodium distachyon в условиях различной доступности питательных веществ. Филос. T. R. Soc.B 367: 1559–1569. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 33. Balvin M, Sohn E, Iracki T, Drazer G, Frechette J (2009) Направленная синхронизация и роль необратимых взаимодействий в детерминированном гидродинамическом разделении в микрофлюидных устройствах.Phys. Rev. Lett. 103. [PubMed] 34. Pampaloni F, Reynaud EG, Stelzer EH (2007) Третье измерение устраняет разрыв между культурой клеток и живой тканью. Nat. Rev. Mol. Cell Biol 8: 839–845. [PubMed] [Google Scholar] 35. Sizmur T, Lind KR, Benomar S, VanEvery H, Cademartiri L (2014) Простая и универсальная двухмерная платформа для изучения прорастания и роста растений в условиях контролируемой влажности. PLoS ONE 9: e96730. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 36. Hargreaves C, Gregory P, Bengough AG (2009) Измерение корневых характеристик ячменя (hordeum vulgare ssp.Vulgare и ssp. Spontaneum) с помощью гелевых камер, почвенных мешочков и рентгеновской микротомографии. Растительная почва 316: 285–297. [Google Scholar] 37. Whitesides GM (2013) Круто или просто и дешево? Почему не оба? Лабораторный чип 13: 11–13. [PubMed] [Google Scholar]

бутылок и кирпичи: Lego находит правильное сочетание с переработанным пластиком

КОПЕНГАГЕН, 23 июня (Рейтер) — Lego планирует начать продажу игрушечных строительных кубиков, сделанных из переработанных пластиковых бутылок, через 18–24 месяцев, имея нашел подходящую экологически чистую альтернативу пластику на масляной основе, заявил в среду датский производитель игрушек.

Компания Lego искала альтернативный материал, и за последние шесть лет почти 150 инженеров и ученых тестировали множество различных материалов растительного происхождения и переработанных материалов.

«Мы очень рады этому открытию», — сказал Тим Брукс, вице-президент Lego по экологической ответственности.

«Мы хотим, чтобы наши продукты оказывали положительное влияние на планету, не только с помощью игры, которую они вдохновляют, но и с помощью материалов, которые мы используем».

Компания Lego, которая ежегодно использует около 100 000 тонн пластика в своей продукции, заявила, что будет использовать переработанный материал из пластиковых бутылок, которые сертифицированы как безопасные для обработки напитков в Европе и США.

Из пластиковой бутылки с водой емкостью 1 литр можно получить примерно десять стандартных кубиков Lego.

Посмотрите на пластиковую бутылку, гранулы и кирпичи в лабораториях по испытанию материалов и безопасности Lego в Биллунде, Дания, сделанные в конце мая 2021 года. Примечание. На изображении не показано, сколько кирпичей получается из одной пластиковой бутылки. Один дает около десяти кирпичей 2х4. LEGO Group / через REUTERS

Подробнее

С 2018 года компания изготавливает некоторые менее жесткие части наборов Lego, такие как растения и деревья, из биополиэтилена, изготовленного из сахарного тростника.

Но использование таких материалов для изготовления более твердых кирпичей оказалось сложной задачей при сохранении формы, ощущении и безопасности для детей.

Lego заявила в прошлом году, что инвестирует 400 миллионов долларов в течение трех лет, чтобы активизировать усилия по использованию экологически чистых материалов, и что к концу десятилетия компания намерена заменить пластиковые кирпичи на кирпичи, изготовленные из экологически чистых материалов.

Компания Lego подала заявку на патент на смесь переработанных пластиковых бутылок и упрочняющей добавки. Пока что кирпичи имеют легкий серый оттенок, но компания уточняет цвет материала и то, как кирпичи сцепляются друг с другом.

Компания планирует выпустить на рынок прототип кирпичей 2×2 и 2×4 в течение 18–24 месяцев и продолжит испытания материала на различных типах кирпича.

Конкурирующий производитель игрушек Mattel (MAT.O), наиболее известный как производитель кукол Барби, в 2019 году объявил, что с 2030 года планирует производить свои пластиковые игрушки из переработанных, перерабатываемых или биомассовых пластиков.

Отчет Тима Барсо; Под редакцией Якоба Гронхольт-Педерсена и Бернадетт Баум

Наши стандарты: принципы доверия Thomson Reuters.

The LEGO Brick — The BYU Design Review

То, что обеспечивает очевидную и неочевидную модульность LEGO, — это сознательный выбор и соблюдение предписанной геометрической основы — LEGO Unit (LU). Смотрите фотографии размеров. Насколько это возможно, размеры каждого элемента LEGO кратны целому числу единицы LEGO или чистым его частям. Например, высота всех стоек LEGO — 1 LU, диаметр всех стоек — 3 LU, ширина 1 x ___ элементов — 5 LU, высота кирпичей — 6 LU, высота пластин — 2 LU, и скоро.

Почему это так важно? Когда дизайнеру LEGO пора создать новый элемент, например, стопку из четырех шариков мороженого, становится совершенно ясно, каким должен быть диаметр каждой шарика мороженого — 3 LU. Таким образом, совок естественным образом впишется во все, что может быть шпилька LEGO.

Уважение и соблюдение принципов LEGO Unit сделали элементы LEGO неподвластными времени, а компанию — конкурентным преимуществом. Первые кубики LEGO, изготовленные в 1958 году, соответствовали LEGO Unit, то есть они соответствовали кубикам, производимым сегодня.В результате продукты LEGO редко появляются в благотворительных магазинах, потому что не теряют своей ценности. Они были столь же ценны 50 лет назад, как и 50 лет назад.

Существуют тысячи элементов LEGO, все совместимые с Блоком LEGO. Ежегодно компания производит несколько новых деталей, которые пополняются семейством строительных элементов. Благодаря их совместимости возможности намного шире, чем у их конкурентов, которые выходят на рынок всего с несколькими сотнями строительных элементов.

Приверженность конструктивному элементу LEGO дает строителям полных и творческих способностей. Эта аутентичность строительной системы означает, что строители могут думать иначе, чем дизайнеры элементов LEGO, чтобы создавать действительно инновационные вещи.

Чтобы проиллюстрировать, что LEGO Unit предлагает крупнейшей в мире компании по производству игрушек, рассмотрим следующее.

Несколько ключевых соотношений, присущих блоку LEGO, оказываются жизненно важными при проектировании кубиков, пластин и других элементов, на которых основана LEGO Group.Наиболее часто используемый и, возможно, интуитивно понятный — это 1: 3; три пластины сложены друг над другом, чтобы получилась высота одного кирпича. Это соотношение стало настолько ценным, что само соотношение стало основой другой единицы измерения, известной как «Основная единица LEGO» (FLU). Точно так же мы видим, что стопка из пяти пластин добавляет к той же высоте, что и длина элементов 2x__ (например, того же размера, что и ширина кирпича 2×4). Кроме того, по мере увеличения соотношения ширины к высоте 5: 6 мы можем видеть приложения, такие как на рисунке 3.

Уловки плотности с кубиками LEGO® | Chem13 News

Впервые опубликовано в Chem 13 News, , февраль 2003 г.

Авторы: Д. Дж. Кэмпбелл *, Р. А. Бейли, Департамент химии, Университет Брэдли, Пеория, штат Иллинойс, 61625, Эл. Почта: [email protected]

Строительные кирпичи

LEGO ^® — относительно обычная домашняя игрушка. Таким образом, учащиеся, использующие эти кубики в рамках учебных демонстраций, в некоторой степени знакомы с этими материалами.При измерении плотности кирпичей путем вытеснения воды было отмечено, что множество пузырьков воздуха могут прилипать к внутренней и внешней стороне этих пластиковых деталей неправильной формы. В то время как образование этих пузырьков воздуха на кирпичах было в значительной степени затруднительным при изучении плотности, они действительно позволяют использовать кирпичи в качестве картезианских ныряльщиков. Декартовы дайверы имеют долгую историю как новинки, так и научные демонстрации. ^{1- 4} Эти ныряльщики обычно состоят из какого-нибудь предмета более плотного, чем вода, прикрепленного к пузырькам воздуха.Объект и связанный с ним воздух, например, пакет с соевым соусом с пузырьком в нем, ⁴ можно рассматривать как одно целое. Этот блок обычно заключен в гибкий контейнер, например пластиковую бутылку. При нормальном давлении агрегат недостаточно плотный, чтобы утонуть. Однако при сжатии бутылки несжимаемая вода сжимает воздух в пузырьках. По мере того, как пузырьки воздуха становятся меньше, устройство становится более плотным и тонет. D.J.C. использовал картезианского дайвера в своем классе, чтобы проиллюстрировать принципы плотности, сжимаемости воздуха и несжимаемости жидкостей.

Чтобы сделать декартова дайвера LEGO ^® , необходимы следующие материалы:

• LEGO ^® человек (Этот процесс работает и с другим кубиком
  LEGO ^® , но ныряльщик в форме человека, безусловно, выглядит лучше всего.)
• пустая пластиковая бутылка из-под газировки
• бумажные полотенца
• водопроводная вода

1) Полностью наполните бутылку содовой водой из-под крана, текущей струйкой из крана, чтобы уменьшить количество пузырьков воздуха. Закройте бутылку крышкой и дайте ей постоять около минуты, пока все пузырьки воздуха не поднимутся до верха бутылки.Стук плотно закрытой бутылки о столешницу помогает стряхнуть пузыри со стенок емкости.

2) Снимите все аксессуары (включая шляпу, волосы и т. Д.) С человека LEGO ^® , оставив голову, руки, кисти, тело и ноги. Руки направьте вверх.

3) Погрузите человека LEGO ^® под воду, чтобы смыть некоторые воздушные карманы, затем поместите человека LEGO ^® в бутылку. Часть воды, вытесненной человеком LEGO ^® , будет вытолкнута из верхней части бутылки, и ее можно будет вытереть бумажным полотенцем.Несмотря на то, что АБС-пластик, из которого сделаны кубики LEGO ^® , более плотен, чем вода, в LEGO ^® содержится достаточно воздуха, чтобы он парил. Если он сразу тонет, возьмите LEGO ^® , вытрите его и начните процесс заново.

4) Добавьте воды в бутылку, если необходимо, чтобы убедиться, что она максимально наполнена. Осторожно закрутите бутылку крышкой, чтобы пролить как можно меньше воды. (Например, не сжимайте бутылку, закрывая крышку).

5) Сожмите бутылку.

Если человек LEGO ^® тонет, когда бутылка сжимается, а затем всплывает, когда бутылку отпускают, значит, вы сделали декартова дайвера, который на самом деле выглядит как ныряльщик (см. Выше).

— Если человек LEGO ^® продолжает плавать, когда бутылка сжимается, или вам приходится очень сильно сжимать, чтобы заставить LEGO ^® утонуть, попробуйте постучать плотно закрытой бутылкой в ​​разных направлениях по столешнице, чтобы вытряхнуть пузыри. из LEGO ^® .Затем, когда бутылка находится в вертикальном положении, снимите крышку, убедитесь, что она максимально наполнена водой, и закройте бутылку крышкой. Должно быть легче заставить человека LEGO ^® «нырнуть».

Состав кубиков LEGO ^® зависит от типа кирпича. Большинство непрозрачных кирпичей изготовлено из сополимера акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС). (Большинство светопрозрачных кирпичей изготовлены из поликарбонатного полимера.) ⁵ Кирпичи из АБС-пластика с двумя штырями и двумя штифтами (которые имеют средний объем примерно 1.13 см ³ ) имеют плотность около
1,2 г / см ³ , и, похоже, существует некоторая связь между цветом и плотностью кирпичей. Мы обнаружили, что плотность кирпичей, от наименьшей до наиболее плотной, составляет приблизительно: красный @ черный <зеленый @ желтый @ синий <белый. К сожалению, плотность кирпичей варьируется настолько, что этот порядок не является абсолютным. Это также не соответствует порядку расположения кирпичей по массе (зеленые кирпичи часто были самыми легкими).

Эти различия в плотности кирпичей позволяют разделять их водными солевыми растворами; В прошлом для разделения пластиковых образцов использовались методы растворения. ^6,7 Раствор с концентрацией
5,8 г / 100 мл воды (примерно 3 чайные ложки NaCl / 1 стакан воды) имеет плотность, близкую к плотности кирпича. Раствор можно сделать более густым, добавив больше соли, или менее густым, добавив воды. Кирпичи более плотные, чем раствор соли, будут тонуть, менее плотные — плавать.Хлорид натрия лабораторного класса должен полностью растворяться в воде, но соль из продуктового магазина может содержать определенную долю нерастворимого вещества. Перед приготовлением раствора воду следует дегазировать (то есть кипятить), чтобы минимизировать попадание пузырьков воздуха в кирпичи или на них. Пузырьки воздуха можно удалить из кирпичей с помощью двух пипеток: одна для удерживания кирпича под водой, а другая для смывания пузырьков с самого кирпича. Один из способов продемонстрировать разницу в плотности разных кирпичей — погрузить кирпичи разных цветов в большой открытый стакан с солевым раствором.По мере того, как вода медленно испаряется, солевой раствор становится более плотным, и разные кирпичи поднимаются в разное время.

Благодарности

Мы хотели бы поблагодарить Университет Брэдли, Национальный научный фонд через Центр материаловедения и инженерии наноструктурированных материалов и интерфейсов (DMR-96325227), LEGO ^® Corporation и Американское химическое общество — Project SEED за щедрую поддержку. . D.J.C. Я также хотел бы поблагодарить Кэтлин Шанкс-Редер за то, что она познакомила его с вариацией пакета соевого соуса картезианского дайвера.

Примечание

1. LEGO ^® является товарным знаком LEGO ^® Group. Демонстрации и эксперименты с использованием кубиков LEGO ^® можно найти по адресу http://www.mrsec.wisc.edu/edetc/LEGO/index.html .

Список литературы

1. M. Sarquis и J. Sarquis, Fun with Chemistry, Vol. 2; Институт химического образования: Мэдисон, Висконсин, 1993; страницы 121-167.

2. J.U.S. Томпсон и К.A. Goldsby, Journal of Chemical Education, 900–30 сентября 1994 г., стр. 801.

3. К.Д. Pinkerton, Journal of Chemical Education, 900–30 февраля 2001 г., стр. 198–200B.

4. Э. Мюллер, Учитель физики , 1996, том 34, стр. 296.

5. А. Демерс, отдел обучения LEGO, Энфилд, штат Коннектикут. Личное сообщение, 2002.

6. K.E. Колб и Д. Kolb, Journal of Chemical Education, 900–30 апрель 1991 г., стр. 348.

7.Р. Брузан и Д. Бейкер, Journal of Chemical Education , май 1993 г., страницы 397-398.

Molecular Lego — Scientific American

Белки, фундаментальные наномашины жизни, преподали таким ученым, как я, много уроков в наших собственных усилиях по созданию наномашин. Белки — это большие молекулы, содержащие от сотен до тысяч атомов и обычно имеют размер от нескольких нанометров (миллиардных долей метра) до десятков нанометров. Наши тела содержат не менее 20 000 различных белков, которые, помимо прочего, заставляют наши мышцы сокращаться, переваривать пищу, строить кости, чувствовать окружающую среду и без устали перерабатывать сотни маленьких молекул в наших клетках.

Будучи студентом химического факультета в 1986 году, я мечтал о возможности конструировать и синтезировать макромолекулы (молекулы, содержащие более 100 атомов), которые могли бы делать удивительные вещи, которые делают белки, и многое другое. Я программировал компьютеры с тех пор, как в конце 1970-х были выпущены первые TRS-80, и я подумал, что было бы замечательно, если бы я мог создавать сложные молекулярные машины так же легко, как писать программы. Я хотел создать язык программирования для материи — комбинацию программного обеспечения и химии, которая позволила бы людям описывать форму наномашин, а затем определять серию химических процессов, которые химик или робот должен выполнить для создания наноустройства.

К сожалению, идея изобретения наномашин путем создания новых белков наталкивается на серьезное препятствие. Каждый белок обычно начинается с простой линейной цепи, собранной из определенной последовательности аминокислот, взятой из набора, состоящего всего из 20 аминокислот. Пока все хорошо, но свойства протеина и функции, которые он может выполнять, зависят от его формы. Вскоре после того, как цепочка аминокислот собрана в клетке, она сворачивается в запутанный клубок спиралей и других структур в результате сложного процесса, называемого сворачиванием белка.Последовательность аминокислот определяет окончательную форму, но предсказание того, какую форму примет конкретная последовательность, является одной из наиболее важных нерешенных задач науки и техники (проблема сворачивания белка).

Примерно через 20 лет после того, как я впервые проявил свое видение будущего, моя лаборатория наконец разработала способ получения больших молекул с программируемыми формами и компьютерное программное обеспечение, необходимое для их конструирования. Наш подход основан на модульности природных белков, но он не полагается на спонтанное сворачивание аминокислотных цепей в форму — поэтому он избегает борьбы с нерешенной проблемой сворачивания.

Мы разрабатываем эту технологию для создания молекул, которые могут выполнять определенные функции. Одна из наших первоначальных целей — создать сенсоры: большие молекулы, которые меняют форму и цвет, когда они связываются с определенными молекулами-мишенями, такими как глюкоза, токсины или боевые химические вещества. Событие связывания запускает сенсорную молекулу, чтобы соединить две флуоресцентные группы вместе, которые меняют ее цвет, тем самым сигнализируя о том, что цель присутствует в образце. Мы также используем нашу технику для создания длинных шарнирных молекул, которые открываются и закрываются в ответ на внешний сигнал — шаг к созданию молекулярных исполнительных механизмов, молекулярных клапанов и компьютерной памяти.

Мы предполагаем, что наша технология в конечном итоге приведет к еще более продвинутому методу конструирования наномашин: мы будем использовать его для создания сложных наноинструментов, таких как ассемблер, который, как рибосома, отвечающая за конструирование белков внутри клеток, будет собирать другие наномашины под управлением внешнего программиста. контроль. А пока эта вторая мечта относится к будущему.

Уроки природы

Когда я заканчивал учебу в бакалавриате в 1990 году, я думал, что путь к развитию наномашин лежит в выведении правил сворачивания белков и использовании их для разработки новых белков.Я присоединился к Роберту М. Страуду и его группе кристаллографии белков в Калифорнийском университете в Сан-Франциско. Кристаллографы белков выращивают кристаллы белков и используют рентгеновские лучи для определения точного трехмерного расположения атомов белков. Используя этот инструмент, я глубоко осознал сложность и красоту структуры белка. Я потратил четыре года на создание 4HB1, искусственного белка моей собственной разработки. Сначала я собрал искусственный ген, а затем вставил его в бактерии, которые выразили его, то есть сделал белок, кодируемый генами ДНК.Затем я кристаллизовал полученный белок и определил его кристаллическую структуру с помощью рентгеновских лучей. Было захватывающе обнаружить, что 4HB1 обладает той конформацией, для которой я его задумал!

Тем не менее, после всей этой работы 4HB1 стал молекулярным ограничителем. Он не делал ничего, кроме как хорошо сложенный искусственный белок. Больше всего беспокоит то, что опыт не выявил простых правил, необходимых мне для создания других белков желаемой формы. Напротив, сложность сворачивания белков предполагает, что таких простых правил может не существовать.Заканчивая докторскую. В 1997 году я пришел к выводу, что лучший способ создать наномашины, разработанные по индивидуальному заказу, — это сконструировать их из ограниченного набора модульных строительных блоков, которые не достигли своей формы в процессе сворачивания белков.

Это была не новая идея. В 1995 году Брент Айверсон из Техасского университета в Остине разработал строительные блоки, которые можно было соединить в короткие полимеры, называемые олигомерами. Эти олигомеры затем самоорганизуются в складчатые структуры, поскольку богатые электронами донорные группы притягиваются к электронодефицитным акцепторным группам в структуре.

Примерно в то же время Сэм Геллман из Висконсинского университета Мэдисон и Дитер Сибах из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе разрабатывали синтетические молекулы, называемые бета-пептидами, которые представляют собой гибкие цепи бета-аминокислот — молекулы, которые в основном состоят из не встречающиеся в природе и чья общая структура немного отличается от обычных аминокислот (альфа-аминокислот). Короткие бета-пептиды Геллмана и Зеебаха складываются в скрученные спирали.

Эти новые подходы к конструированию макромолекул определенной формы были вдохновляющими, но, похоже, они заменили одну проблему складывания другой.Сложность в том, что природные белки и эти новые молекулы включают в себя цепочки молекул, связанных одинарными связями, которые оставляют структуру с большой свободой изгиба в местах по всей ее длине. То, каким образом одна из этих молекул изгибается, приобретая свою окончательную форму, зависит от сложного взаимодействия сил притяжения и отталкивания, возникающих, когда различные строительные блоки по всей цепочке сближаются.

Я имел в виду более радикальный подход. Я хотел полностью исключить обычный процесс складывания и таким образом получить больший контроль над формой конечного продукта.Для достижения этой цели я задумал изобрести жесткие строительные блоки, которые можно было бы прикрепить друг к другу с помощью пар связей, чтобы создать жесткие лестничные макромолекулы. Эта идея была опробована и раньше: в 1987 году Дж. Фрейзер Стоддарт, работавший тогда в Шеффилдском университете в Англии, представил концепцию молекулярного набора Lego, создав молекулярные пояса и хомуты из строительных блоков.

Я поступил в лабораторию Грегори Вердина в Гарвардском университете, чтобы изучать синтетическую органическую химию.За два года синтеза неестественных аминокислот и поиска пути к моему большему видению я наткнулся на статью, в которой описывалась химическая структура, называемая дикетопиперазином. В этой структуре шесть атомов объединяются в кольцо, содержащее две амидные связи [ см. Рамку на следующей странице ]. Амидные связи — это те связи, которые связывают белки, составляющие аминокислоты, в цепочку, как ряд людей, держащихся за руки. Дикетопиперазин возникает, когда две аминокислоты соединяются, как два человека, смотрящих друг на друга и держащихся обеими руками, их руки образуют замкнутое кольцо.Химики, которые синтезируют белки, разработали множество отличных реакций для образования амидных связей между аминокислотами, и все они слишком хорошо знакомы со структурой дикетопиперазина, потому что она может образовываться, когда она нежелательна, и мешать их усилиям по синтезу белков. Однако я решил, что могу использовать образование дикетопиперазина, чтобы связать свои строительные блоки.

Остальная идея вскоре стала реальностью. По аналогии с людьми, два плеча аминокислоты представляют собой группы из нескольких атомов, которые называются аминогруппой и карбоксильной группой.(В отличие от рук, однако, эти группы на самом деле не очень далеко выступают.) Подумайте о одной как о левой руке, а о другой как о правой, а амидная связь — это левая рука, держащая правую руку. Каждый из моих новых строительных блоков, или мономеров, был бы подобен двум людям, жестко связанным вместе (например, спиной к спине), с руками перед собой. Один мономер соединяется со следующим в последовательности, когда человек на одном держит обе руки человека за другой, образуя кольцо дикетопиперазина.

В реальных химических терминах каждый мономер будет состоять из жесткой молекулы, состоящей в основном из атомов углерода с двумя интегрированными в нее аминокислотными группами, а амины и карбоксилы обеих аминокислот будут доступны для связывания с другими мономерами.Два мономера могли бы соединиться, имея аминокислотную группу на каждом из них, взаимодействуя вместе с образованием дикетопиперазинового кольца. Мы бы назвали этот вид мономера бис-аминокислотой (бис означает дважды), потому что каждый из них содержит две аминокислоты. И так же, как цепи аминокислот называются пептидами, мы бы назвали наши цепи бис-аминокислот бис-пептидами.

С нуля.В течение двух лет Кристофер Левинс, один из моих первых аспирантов, синтезировал наши первые бис-аминокислоты. Он начал с гидроксипролина, коммерчески доступного компонента коллагена (белка, который делает хрящи, связки и сухожилия прочными), который другая группа ранее использовала для создания молекул, очень похожих на наши мономерные конструкции. Используя рецепт из девяти шагов, который мы разработали вместе, Левинс преобразовал гидроксипролин в четыре вида строительных блоков, которые мы назвали pro4 (2S4S), pro4 (2S4R), pro4 (2R4S) и pro4 (2R4R).Мы называем их pro4, потому что все они напоминают аминокислоту пролин с дополнительной аминокислотой, установленной на углероде 4 (химики идентифицируют атомы углерода в органической молекуле, систематически маркируя их числами). Метки S и R указывают ориентацию групп, присоединенных к углероду 2 и углероду 4. Готовые строительные блоки представляют собой сухие порошки, которые стабильны в течение нескольких месяцев хранения при комнатной температуре.

Мы конструируем наши мономерные строительные блоки с защитными группами, прикрепленными к аминам (чтобы предотвратить образование амидных связей до тех пор, пока мы этого не захотим) и с одним из карбоксилов в модифицированной, менее реакционной форме, называемой сложным эфиром.Чтобы синтезировать бис-пептид, мы собираем строительные блоки в желаемой последовательности с одинарными связями, а затем соединяем все вторые связи, чтобы придать молекуле жесткость в ее окончательную форму [ см. Рамку на противоположной странице ]. Левинс выполнил эту двухэтапную процедуру для создания наших первых коротких структур из мономеров pro4.

В первой части процесса связывания используется метод, называемый синтезом на твердой подложке. Все начинается с пластиковых шариков, покрытых аминогруппой. Карбоксильная группа на первом строительном блоке образует амидную связь с одним из аминов, фиксируя строительный блок на бусине.Использование избытка строительных блоков гарантирует, что практически все амины на гранулах имеют прикрепленные строительные блоки. Быстрая промывка растворителем удаляет побочные продукты и остатки строительных блоков. Затем промывка с основанием удаляет защитную группу с одного из двух аминов на вновь добавленном строительном блоке (два амина имеют разные защитные группы, поэтому удаляется только один из них). Добавляется второй строительный блок, который присоединяется к первому через его карбоксил и открытую аминогруппу.Затем с одного из его аминов снимается защита, добавляется третий строительный блок и так далее.

Этот процесс строительства идет медленно: на добавление каждого последующего мономера уходит около часа, потому что нам нужно ждать достаточно долго, чтобы почти все экспонированные амины получили свои строительные блоки. К счастью, роботы, обычно используемые для синтеза пептидов, могут автоматизировать работу и легко создавать множество последовательностей параллельно.

Когда цепь завершена, мы используем сильную кислоту для удаления гранул, а затем снимаем вторую аминозащитную группу с каждого строительного блока в цепи.Добавление основного раствора заставляет недавно обнаруженный амин на каждом строительном блоке атаковать сложный эфир предыдущего строительного блока и образовывать с ним еще одну амидную связь. С двумя амидными связями, соединяющими каждую пару соседних строительных блоков, вся молекула теперь жесткая и имеет предсказуемую, четко определенную форму.

Вскоре мы обнаружили, что бис-пептиды растворимы в воде и других полярных органических растворителях (растворителях, которые легко смешиваются с водой). Водорастворимость бис-пептидов упрощает их изучение и позволяет предположить, что мы могли бы использовать их для разработки новых лекарств, которые должны распространяться в крови.

Программирование форм

БИС-АМИНОКИСЛОТ, из которых состоят наши бис-пептиды, соединяются вместе, как кубики Lego странной формы. В частности, каждая бис-аминокислота ведет себя как кирпич, верхняя поверхность шипов которого наклонена и скручена относительно нижней поверхности отверстий. Многократная укладка одного типа кирпича поверх самого себя позволяет получить одну изогнутую форму, причем конкретная форма кривой зависит от того, какая бис-аминокислота выбрана. Используя всего два разных вида кирпичей, сложенных в разной последовательности, вы можете сделать 2 N разных форм (N — количество кирпичей в стопке).Бис-пептид длиной 10 блоков, состоящий из наших четырех бис-аминокислот про4, может иметь любую из примерно миллиона (4) форм. Чем больше форм строительных блоков у нас будет, тем лучше мы сможем контролировать окончательную форму макромолекулы. Тогда задача состоит в том, чтобы спроектировать и синтезировать те последовательности, которые имеют полезные функции.

Ключом к созданию бис-пептидов определенной формы является знание точных форм, которые принимают наши отдельные бис-аминокислоты, когда они соединяются друг с другом.Эта информация, аналогичная знанию размера каждого кирпича, а также наклона и поворота его шпилек, станет основой для нашего языка программирования. Синтезировав наши первые би-пептиды, мы могли затем провести измерения, чтобы определить, как их части подходят друг к другу.

Мы провели эксперименты по ядерному магнитному резонансу, чтобы выяснить, какие атомы водорода в бис-пептиде находятся близко друг к другу, и применили другие методы для измерения ориентации углерод-водородных связей.По результатам этих измерений мы определили необходимую нам информацию о форме и использовали ее для создания программы автоматизированного проектирования для создания бис-пептидов под названием CANDO (для c компьютер — a ided n anostructure d дизайн и o оптимизация).

Грегори Берд, еще один аспирант моей лаборатории, использовал CANDO для создания молекулярных стержней и изогнутых структур. Недавно он собрал эти структуры, прикрепив химическую группу, называемую спиновым зондом, к каждому концу каждой последовательности, чтобы убедиться, что результаты в реакционном сосуде соответствуют конструкции в компьютере.Действительно, последовательности строительных блоков pro4 (2S4S) и pro4 (2R4R) имели форму C и S, как и предсказывали CANDO.

Группа бис-аминокислот pro4 похожа на кирпичи Lego, которые имеют относительно небольшой наклон, поэтому мы можем использовать их для создания стержневидных и слегка изогнутых форм, которые могут функционировать как распорки, удерживающие химические группы друг от друга на определенных расстояниях. Однако многие полезные функции белков происходят из-за полостей, которые могут служить для связывания белка с определенной мишенью или для удержания молекул и катализатора реакций.Чтобы создать компактные бис-пептиды с подходящими полостями, нам нужно было расширить наш набор строительных блоков. Мой ученик Стивен Хабай сделал первый шаг к этой цели, разработав бис-аминокислоту, которую мы называем хин, которая создает резкий поворот в бис-пептиде.

Год от года наша коллекция мономеров продолжает расти, и анализы CANDO показывают, что нашего нынешнего репертуара из 14 мономеров достаточно для создания компактных бис-пептидов, содержащих полости. Но когда мы разработали новые строительные блоки и включили их в бис-пептиды, мы столкнулись с проблемой.Реакция, которая формирует жесткую вторую амидную связь, была очень быстрой между мономерами pro4, но была медленной для всех наших новых строительных блоков. Повышение температуры реакции ускорило процесс, но изменило получившиеся формы. Эта проблема была огромным препятствием для создания более крупных и сложных бис-пептидов.

Мой ученик Шарад Гупта частично преодолел эту проблему, разработав новый подход к закрытию второй амидной связи. Для каждого мономера он заменил сложный эфир на тот, который более восприимчив к атаке аминов, и, вдохновленный работой 1970-х годов, он использовал уксусную кислоту в качестве катализатора вместо основания.Комбинация тепла и кислоты ускоряла реакцию замыкания кольца, не искажая форму наших бис-пептидов, как это делали тепло и основание.

Нам потребовалось шесть месяцев, чтобы найти комбинацию сложного эфира, защитной группы, растворителя и температуры, на которой мы остановились на данный момент, но мы вернемся к этой проблеме в будущем, потому что наше решение не работает для последовательностей длиннее примерно пяти мономеров. . Тем временем мы сосредоточены на разработке некоторых приложений с бис-пептидами, которые мы можем производить эффективно — приложений любой длины, которые включают только мономеры pro4, и последовательностей до пяти мономеров, которые включают другие.

Разработка приложений

ОДИН ИЗ ПЕРВЫХ приложений, которые мы преследовали для наших бис-пептидов, — это макромолекула, которая будет прочно связываться с белком токсина холеры (Ctx). Белок имеет пять одинаковых карманов, каждый в углу пятиугольника. Эти карманы позволяют Ctx связываться с сахаром GM1, который аккуратно помещается в карманы. Эпителиальные клетки, выстилающие тонкий кишечник, имеют молекулы GM1, прикрепленные к их поверхности, и когда Ctx связывается с пятью из этих молекул, он запускает цепь событий, которая приводит к опасному для жизни диарейному заболеванию.Молекулы, которые плотно связываются с этими карманами на Ctx, могут препятствовать связыванию токсина с человеческими клетками и останавливать болезнь на своем пути.

Другие исследователи разработали небольшие сахара, которые индивидуально связываются с этими карманами. Но эти препараты не работают, потому что они не очень прочно связываются с Ctx и не могут конкурировать с пятью одновременными взаимодействиями, которые Ctx производит с GM1 на человеческих клетках. Мы задавались вопросом, сможем ли мы синтезировать бис-пептид, который мог бы включать сахар в два кармана одновременно.Мы можем прикрепить практически все, что захотим, к концам бис-пептида, поэтому для этого приложения мы помещаем небольшой сахар на каждый конец палочковидных бис-пептидов, которые покрывают расстояние между соседними карманами в белке Ctx. Эксперимент работал с бис-пептидами с двумя сахарами, связанными с Ctx более плотно, чем отдельные маленькие сахара, и они связывались, по крайней мере, так же хорошо, как и природная мишень GM1.

Мы, однако, не смогли определить, связывает ли каждый бис-пептид два кармана одного Ctx или связывание с карманами на двух разных молекулах Ctx, создавая таким образом поперечно-сшитую сеть молекул Ctx.Перекрестное связывание Ctx не было бы полезным способом борьбы с холерой, потому что оно было бы эффективным только для человека, у которого уже было много Ctx (вероятно, смертельное количество) в организме. (Если бы концентрация Ctx была слишком низкой, каждый бис-пептид мог бы связываться с одним карманом на одном Ctx, но тогда у них была бы слишком малая вероятность встретить другой Ctx, чтобы создать перекрестную связь.) Но перекрестное связывание белков на поверхности вирусов. может быть эффективным, и поэтому сейчас мы применяем этот подход к подавлению вирусов, включая ВИЧ и Эбола.

Помимо крепления групп к концам жесткого стержня, мы разработали молекулярные актуаторы, в которых два стержня соединены шарниром. Привод — это устройство, которое реагирует на сигнал, создавая движение. Наши приводы стержень-шарнир-стержень предназначены для нормального открытия и складывания или закрывания, когда группы на внешних концах стержней связывают металл или небольшую молекулу. Моя ученица Лаура Беласко сделала нашу первую их версию, в которой стержни состоят из четырех строительных блоков, петля — из обычной аминокислоты, а металл запускает открытие и закрытие.Одним из применений могут быть молекулярные клапаны [ см. Рамку на противоположной странице ]. Клапан будет состоять из наноскопического отверстия с шарнирными стержнями, прикрепленными к его краю. Вытянутые стержни блокируют отверстие; сложенный, они открывали его. Эти клапаны можно использовать для создания устройства, которое определяет состояние пациента и в ответ выпускает соответствующее лекарство.

Управление открытием и закрытием могло осуществляться электронным способом, помещая группы на концах стержней, которые связывались бы при наличии правильного заряда.Компьютерные запоминающие устройства можно было бы сделать из леса шарнирных стержней, если бы ими можно было управлять индивидуально таким образом. Наконечники атомно-силового микроскопа сканировали ряды леса, определяя, какие стержни стояли как единицы и нули, аналогично обнаружению ямок или отсутствию ямок в приводе IBM Millipede. Для стирания ямы, что сложно для системы «Многоножка», достаточно просто изменить положение шарнирного стержня.

Боковые цепи 20 аминокислот, которые организмы используют для построения своих белков, украшены различными химическими группами.Белки размещают эти химические группы в конфигурациях, форма и другие свойства которых служат для катализирования реакций, связывания небольших молекул и выполнения их многих функций. Точно так же в нашей лаборатории мы разрабатываем строительные блоки, которые несут дополнительную химическую группу, что позволит нам создавать бис-пептиды, которые отображают химические группы вдоль их лестничных скелетов. Пока что мы сделали первый такой строительный блок с боковой группой. Если мы сможем создать макромолекулы с совокупностями химических групп, которые имитируют активные центры ферментов — области, в которых происходит катализ, — мы могли бы использовать их, чтобы научиться создавать дизайнерские ферменты.

Через двадцать лет я представляю себе активное сообщество разработчиков: десятки групп, изобретающих макромолекулы на основе бис-пептидов и изучающих, как производить искусственные ферменты и другие полезные молекулярные устройства. Некоторые многообещающие противоопухолевые препараты, такие как галихондрин-B и бриостатин, в настоящее время очень дороги в синтезе. Редкие губки и морские существа, производящие эти соединения, не могут обеспечить их количество, необходимое для широкого использования. Через 20 лет мы сможем создать искусственные ферменты, которые будут эффективно синтезировать эти и другие ценные соединения экологически безопасным способом.Представьте, что вы добавляете каплю искусственных ферментов в бочку кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы и через несколько дней собираете галлоны бриостатина.

Если бы мы смогли разработать искусственные ферменты, расщепляющие растительную целлюлозу до этанола или использующие световую энергию для объединения воды и углекислого газа для создания этанола, такое предприятие принесло бы огромную пользу обществу. Мы могли бы даже разработать искусственные ферменты, чтобы синтезировать наши строительные блоки из бис-аминокислот и соединить их вместе, что значительно упростит создание бис-пептидов.

Мы разработали сочетание химии и программного обеспечения для создания макромолекул программируемой формы. Поскольку для производства бис-пептидов требуется всего несколько дней, мы можем спроектировать и собрать их, протестировать их свойства и создать новое поколение за несколько недель. В ближайшие годы интересной задачей будет научиться начинать с функции и разработать лучшую бис-пептидную последовательность для ее выполнения.

АВТОР

КРИСТИАН Э.SCHAFMEISTER — адъюнкт-профессор химии в Университете Темпл, где он разрабатывает молекулы с программируемой формой. Он получил докторскую степень. получил степень бакалавра биофизики в Калифорнийском университете в Сан-Франциско в 1997 году. Будучи докторантом Гарвардского университета, он разработал новый способ сделать пептиды более устойчивыми к протеазам, сделав их более подходящими в качестве потенциальных лекарств. Он является членом рабочей группы по подготовке технологической дорожной карты для производственных наносистем для Института нанотехнологий Foresight в Пало-Альто, Калифорния.