Come si chiama una scoperta della scienza dei materiali che ha ricevuto un grande impulso da una conferenza di un premio Nobel per la chimica, microscopia elettronica criogenica utilizzata (crio-EM), ed è stato spinto oltre dalla tesi di un dottorando sull'apprendimento automatico?

Tipica ricerca di Cornell.

In un articolo pubblicato su Natura , un team guidato da Uli Wiesner, lo Spencer T. Olin Professor of Engineering presso il Department of Materials Science and Engineering della Cornell University, riporta la scoperta di 10 nanometri, individuale, strutture dodecaedriche autoassemblate:gabbie di silice a 12 lati che potrebbero avere applicazioni nell'assemblaggio di materiali su mesoscala, così come la diagnosi medica e la terapia.

La carta della squadra, "Gabbie inorganiche ultrasottili altamente simmetriche orientate all'autoassemblaggio delle micelle tensioattive, " è stato pubblicato il 20 giugno.

Altri membri del team includono i ricercatori post-dottorato Kai Ma e Tangi Aubert del Wiesner Group; Peter Doerschuk, docente presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica e presso la Meinig School of Biomedical Engineering; e il dottorando Yunye Gong del Gruppo Doerschuk.

Tecniche dalla tesi di dottorato di Gong, "Calcolo e comprensione di modelli statistici per nano-macchine biologiche eterogenee, " sono stati utilizzati per determinare la forma 3D delle strutture della gabbia.

"La gente aveva suggerito che queste nanostrutture molto complesse sarebbero state unità strutturali di materiali sfusi, " Wiesner ha detto "ma nessuno aveva mai identificato queste gabbie come blocchi da costruzione isolati".

Il modo per raggiungerlo, Wiesner ha detto:arrestare la reazione chimica che produce queste forme in anticipo per vedere la struttura al suo inizio. "Questo faceva davvero parte di uno sforzo continuo di ottimizzazione della chimica della silice nel nostro gruppo, " disse la mamma.

Per immaginarli, le particelle nell'acqua sono state rapidamente congelate a temperature criogeniche, così rapidamente che invece del ghiaccio, l'acqua diventa un solido vetroso. All'interno dei sottili film vetrosi, le gabbie potrebbero essere visualizzate in tutti i diversi orientamenti mediante crio-EM. Circa 19, 000 immagini di singole particelle sono state raccolte in un grande sforzo da Ma e da altri membri del Wiesner Group.

algoritmi di apprendimento automatico di Gong, originariamente sviluppato per lo studio delle gabbie proteiche dei virus, sono stati applicati a sottoinsiemi di queste immagini, ordinandoli in classi e calcolando una ricostruzione 3D per ogni classe. Un calcolo basato su 2, 000 immagini richiedono circa un giorno.

Proprio come una TAC in ospedale, le ricostruzioni 3-D di una singola particella hanno rivelato la forma esterna e la struttura interna della particella.

"Siamo stati lieti di avere l'opportunità di collaborare con il Gruppo Wiesner su questo problema, "Gong ha detto, "e dimostrare l'ampiezza di ciò che i nostri algoritmi e software possono fare."

Il gruppo afferma che questa potrebbe essere la prima volta che la ricostruzione 3-D a particella singola di immagini crio-EM utilizzando l'intelligenza artificiale, una tecnica in rapido sviluppo nella biologia strutturale, è stata applicata con successo alla scoperta di materiali sintetici.

"Quando ho lanciato per la prima volta l'idea di confermare la struttura della gabbia con questa tecnica, la maggior parte delle persone non credeva che ciò fosse possibile a causa della complessità del materiale, " disse la mamma.

"Che questo ha rivelato una bella gabbia di tipo dodecaedro, il più altamente simmetrico dei cinque solidi platonici già studiati nell'antichità, è stato immensamente gratificante, "Ha detto Wiesner.

Allora, dove si inserisce il premio Nobel? Diversi anni fa, Wiesner assistette a una conferenza di Roald Hoffmann, il Frank H.T. Rhodes Professor Emerito presso il Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica. Un argomento della conferenza erano le cosiddette strutture a gabbia di clatrati. Un clatrato è un composto in cui una molecola ospite è intrappolata nella gabbia di cristallo di un'altra.

Questo ha portato Wiesner a pensare al lavoro che il suo laboratorio stava facendo sulle strutture su nanoscala, che erano apparsi solo come anelli all'esame preliminare. "Dopo la lezione, Sono letteralmente corso a Duffield Hall per dire a Kai Ma che pensavo che le strutture di ordine superiore che a volte vedeva sarebbero probabilmente strutture di tipo clatrato, " ha detto Wiesner. "Kai ha fatto più lavori di microscopia e ha detto, 'Uli, Penso tu abbia ragione.'"

Quella connessione fortuita, e l'improbabile collaborazione che coinvolge l'apprendimento automatico con Doerschuk e Gong, è normale alla Cornell, ha detto Wiesner.

"È una tipica storia di Cornell, " ha detto. "Si incontrano queste persone provenienti da diversi dipartimenti, e tutto contribuisce a una grande scoperta scientifica di una bellissima struttura che non era mai stata vista prima."

Doerschuk è d'accordo:"Sono arrivato alla Cornell nel 2006. Una delle principali attrazioni è stata l'affermazione che le barriere tra i dipartimenti sono basse e che il lavoro interdisciplinare è incoraggiato. Avendo lavorato alla Cornell per un decennio, Sono lieto di annunciare che l'affermazione è vera".

Nella carta, Wiesner sostiene che "sulla base dei recenti successi ... di ultrapiccole nanoparticelle di silice fluorescente ["punti di Cornell"] ... si può prevedere un'intera gamma di nuove sonde diagnostiche e terapeutiche con farmaci nascosti all'interno delle gabbie".