Hoe noem je een materiaalwetenschappelijke ontdekking die een flinke boost kreeg door een lezing van een Nobelprijswinnaar in de chemie, gebruikte cryogene elektronenmicroscopie (cryo-EM), en verder werd geduwd door een doctoraatsthesis over machine learning?

Typisch Cornell-onderzoek.

In een paper gepubliceerd in Natuur , een team onder leiding van Uli Wiesner, de Spencer T. Olin hoogleraar Engineering aan de afdeling Materials Science and Engineering aan de Cornell University, meldt ontdekking van 10 nanometer, individueel, zelf-geassembleerde dodecaëdrische structuren - 12-zijdige silica-kooien die toepassingen kunnen hebben bij materiaalassemblage op mesoschaal, evenals medische diagnose en therapie.

De krant van het team, "Surface-actieve micel zelf-assemblage gerichte zeer symmetrische ultrakleine anorganische kooien, " werd op 20 juni gepubliceerd.

Andere leden van het team zijn onder meer postdoctorale onderzoekers Kai Ma en Tangi Aubert van de Wiesner Group; Peter Doerschuk, hoogleraar aan de afdeling Electrical and Computer Engineering en aan de Meinig School of Biomedical Engineering; en promovendus Yunye Gong van de Doerschuk Group.

Technieken uit het proefschrift van Gong, "Berekenen en begrijpen van statistische modellen voor heterogene biologische nanomachines, " werden gebruikt om de 3D-vorm van de kooistructuren te bepalen.

"Mensen hadden gesuggereerd dat deze zeer complexe nanostructuren structurele eenheden van bulkmaterialen zouden zijn, ' zei Wiesner, "maar niemand had ooit deze kooien geïdentificeerd als geïsoleerde bouwstenen."

De manier om dat te bereiken, Wiesner zei:stop de chemische reactie die deze vormen in een vroeg stadium produceert om de structuur bij het begin te zien. "Dit maakte inderdaad deel uit van een voortdurende inspanning van optimalisatie van de silicachemie in onze groep, ' zei mama.

Om ze in beeld te brengen, deeltjes in water werden snel bevroren tot cryogene temperaturen, zo snel dat in plaats van ijs, water wordt een glasachtige vaste stof. Binnen de dunne glasachtige films konden de kooien met cryo-EM in alle verschillende oriëntaties worden afgebeeld. ongeveer 19, Met een grote inspanning werden door Ma en andere leden van de Wiesner Group duizenden afbeeldingen van enkelvoudige deeltjes verzameld.

Gong's machine-learning algoritmen, oorspronkelijk ontwikkeld voor de studie van viruseiwitkooien, werden toegepast op subsets van deze afbeeldingen, sorteer ze in klassen en bereken een 3D-reconstructie voor elke klasse. Een berekening op basis van 2, 000 afbeeldingen duurt ongeveer een dag.

Net als een CT-scan van een ziekenhuis, de 3D-reconstructies met één deeltje onthulden de externe vorm en de interne structuur van het deeltje.

"We waren verheugd dat we de kans kregen om samen te werken met de Wiesner Group aan dit probleem, "Gong zei, "en demonstreren de breedte van wat onze algoritmen en software kunnen doen."

De groep zegt dat dit misschien de eerste keer is dat 3-D-reconstructie met één deeltje van cryo-EM-beelden met behulp van kunstmatige intelligentie - een zich snel ontwikkelende techniek in de structurele biologie - met succes is toegepast op de ontdekking van synthetische materialen.

"Toen ik voor het eerst op het idee kwam om de kooistructuur met deze techniek te bevestigen, de meeste mensen geloofden niet dat dit mogelijk was vanwege de complexiteit van het materiaal, ' zei mama.

"Dat dit een prachtige kooi van het type dodecaëder onthulde, de meest symmetrische van de vijf Platonische lichamen die al in de oudheid zijn bestudeerd, was enorm de moeite waard, ' zei Wiesner.

Dus waar past de Nobelprijswinnaar in? Enkele jaren terug, Wiesner zat bij een lezing van Roald Hoffmann, de Frank H. T. Rhodes emeritus hoogleraar bij de afdeling Scheikunde en Chemische Biologie. Een onderwerp van de lezing waren zogenaamde clathrate kooistructuren. Een clathraat is een verbinding waarin een gastmolecuul gevangen zit in de kristallen kooi van een ander.

Dat zette Wiesner aan het denken over het werk dat zijn lab had gedaan aan structuren op nanoschaal. die bij het vooronderzoek als slechts ringen waren verschenen. "Na de lezing Ik rende letterlijk naar Duffield Hall om Kai Ma te vertellen dat ik dacht dat de hogere-orde-structuren die hij soms zag waarschijnlijk clathraat-achtige structuren zouden zijn, " zei Wiesner. "Kai deed meer microscopiewerk en zei:'Uli, Ik denk dat je gelijk hebt.'"

Die toevallige verbinding, en de onwaarschijnlijke samenwerking op het gebied van machine learning met Doerschuk en Gong, hoort bij de cursus bij Cornell, zei Wiesner.

"Het is een typisch Cornell-verhaal, "zei hij. "Je ontmoet deze mensen van verschillende afdelingen, en alles draagt ​​bij aan een grote ontdekking in de wetenschap van een prachtige structuur die nog nooit eerder was gezien."

Doerschuk was het daarmee eens:"Ik kwam in 2006 naar Cornell. Een van de belangrijkste attracties was de bewering dat de barrières tussen afdelingen laag zijn en dat interdisciplinair werk wordt aangemoedigd. Na tien jaar bij Cornell te hebben gewerkt, Ik ben verheugd te kunnen melden dat de bewering waar is."

In de krant, Wiesner stelt dat "op basis van recente successen ... van ultrakleine fluorescerende silica-nanodeeltjes ["Cornell-dots"] ... een hele reeks nieuwe diagnostische en therapeutische sondes met medicijnen verborgen in de kooien kan worden overwogen."