Samarbejde giver opdagelse af 12-sidede silicabure

Hvad kalder man en materialevidenskabelig opdagelse, der fik et stort løft af et foredrag fra en nobelprismodtager i kemi, brugt kryogen elektronmikroskopi (cryo-EM), og blev skubbet videre af en ph.d.-studerendes afhandling om machine learning?

Typisk Cornell-forskning.

I et blad udgivet i Natur , et hold ledet af Uli Wiesner, Spencer T. Olin professor i ingeniørvidenskab ved afdelingen for materialevidenskab og teknik ved Cornell University, rapporterer opdagelse af 10 nanometer, individuel, selvsamlede dodekaedriske strukturer - 12-sidede silicabure, der kunne have anvendelse i mesoskala materialesamling, samt medicinsk diagnose og terapi.

Holdets papir, "Surfactant Micelle Self-Assembly Directed højsymmetriske ultrasmå uorganiske bure, " blev offentliggjort 20. juni.

Andre medlemmer af holdet omfatter postdoktorale forskere Kai Ma og Tangi Aubert fra Wiesner-gruppen; Peter Doerschuk, professor ved Institut for Elektro- og Computerteknik og i Meinig School of Biomedical Engineering; og ph.d.-studerende Yunye Gong fra Doerschuk-gruppen.

Teknikker fra Gongs doktorafhandling, "Beregning og forståelse af statistiske modeller for heterogene biologiske nanomaskiner, blev brugt til at bestemme 3D-formen af ​​burstrukturerne.

"Folk havde foreslået, at disse meget komplekse nanostrukturer ville være strukturelle enheder af bulkmaterialer, Wiesner sagde, "men ingen havde nogensinde identificeret disse bure som isolerede byggesten."

Måden at opnå det på, Wiesner sagde:stands tidligt den kemiske reaktion, der producerer disse former, for at se strukturen ved dens begyndelse. "Dette var faktisk en del af en igangværende indsats for optimering af silicakemi i vores gruppe, " sagde mor.

For at afbilde dem, partikler i vand blev hurtigt frosset til kryogene temperaturer, så hurtigt, at i stedet for is, vand bliver et glasagtigt fast stof. Inden for de tynde glasagtige film kunne burene afbildes i alle forskellige orienteringer ved hjælp af cryo-EM. Cirka 19, 000 enkeltpartikelbilleder blev indsamlet i en stor indsats af Ma og andre medlemmer af Wiesner-gruppen.

Gongs maskinlæringsalgoritmer, oprindeligt udviklet til undersøgelse af virusproteinbure, blev anvendt på undersæt af disse billeder, sortere dem i klasser og beregne en 3D-rekonstruktion for hver klasse. En beregning baseret på 2, 000 billeder tager cirka en dag.

Meget ligesom en CT-scanning på et hospital, enkelt-partikel 3-D rekonstruktionerne afslørede den ydre form og den indre struktur af partiklen.

"Vi var glade for at få muligheden for at samarbejde med Wiesner-gruppen om dette problem, " Gong sagde, "og demonstrer bredden af, hvad vores algoritmer og software kan."

Gruppen siger, at dette kan være første gang, at enkeltpartikel 3D-rekonstruktion af kryo-EM-billeder ved hjælp af kunstig intelligens - en hurtigt udviklende teknik inden for strukturel biologi - med succes er blevet anvendt til opdagelse af syntetiske materialer.

"Da jeg først rejste ideen om at bekræfte burstrukturen med denne teknik, de fleste mennesker troede ikke, at dette var muligt på grund af materialets kompleksitet, " sagde mor.

"At dette afslørede et smukt bur af dodecahedron-typen, den mest symmetriske af de fem platoniske faste stoffer, der allerede er studeret i antikken, var uhyre givende, " sagde Wiesner.

Så hvor passer nobelpristageren ind? For flere år siden, Wiesner deltog i et foredrag af Roald Hoffmann, Frank H.T. Rhodes professor emeritus ved Institut for Kemi og Kemisk Biologi. Et emne for foredraget var såkaldte clathrate burstrukturer. Et clathrat er en forbindelse, hvori et gæstemolekyle er fanget i en andens krystalbur.

Det fik Wiesner til at tænke på det arbejde, hans laboratorium havde udført på strukturer i nanoskala, der var fremkommet som blot ringe i forundersøgelse. "Efter foredraget, Jeg løb bogstaveligt talt over til Duffield Hall for at fortælle Kai Ma, at jeg troede, at de højere ordens strukturer, han nogle gange så, sandsynligvis ville være strukturer af clathrate-typen, " sagde Wiesner. "Kai lavede mere mikroskopi og sagde, 'Uli, Jeg tror, ​​du har ret."

Den uhyggelige forbindelse, og det usandsynlige samarbejde, der involverer maskinlæring med Doerschuk og Gong, er par for kurset på Cornell, sagde Wiesner.

"Det er en typisk Cornell-historie, " sagde han. "Du møder disse mennesker fra forskellige afdelinger, og alt bidrager til en stor opdagelse i videnskaben af ​​en smuk struktur, der aldrig var set før."

Doerschuk var enig:"Jeg kom til Cornell i 2006. En af hovedattraktionerne var påstanden om, at barriererne mellem afdelinger er lave, og at tværfagligt arbejde opmuntres. Efter at have arbejdet hos Cornell i et årti, Jeg er glad for at kunne rapportere, at påstanden er sand."

I avisen, Wiesner hævder, at "baseret på nylige succeser ... af ultrasmå fluorescerende silica nanopartikler ["Cornell dots"] ... kan man forestille sig en hel række nye diagnostiske og terapeutiske prober med lægemidler skjult inde i burene.