Vad kallar man en materialvetenskaplig upptäckt som fick ett stort uppsving av en föreläsning från en nobelpristagare i kemi, använd kryogen elektronmikroskopi (cryo-EM), och drevs vidare av doktorandens avhandling om maskininlärning?

Typisk Cornell-forskning.

I en tidning publicerad i Natur , ett team som leds av Uli Wiesner, Spencer T. Olin professor i teknik vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid Cornell University, rapporterar upptäckt av 10 nanometer, enskild, självmonterade dodekedriska strukturer-12-sidiga kiseldioxidburar som kan ha tillämpningar i mesoskala materialmontering, såväl som medicinsk diagnostik och terapi.

Lagets tidning, "Surfaktant Micelle Self-Assembly riktade mycket symmetriska ultrasmå oorganiska burar, "publicerades den 20 juni.

Andra medlemmar i teamet inkluderar postdoktorala forskare Kai Ma och Tangi Aubert från Wiesner Group; Peter Doerschuk, professor vid institutionen för el- och datateknik och vid Meinig School of Biomedical Engineering; och doktoranden Yunye Gong från Doerschuk-gruppen.

Tekniker från Gongs doktorsavhandling, "Beräkning och förståelse av statistiska modeller för heterogena biologiska nanomaskiner, " användes för att bestämma 3D-formen av burstrukturerna.

"Folk hade föreslagit att dessa mycket komplexa nanostrukturer skulle vara strukturella enheter av bulkmaterial, "Wiesner sa, "men ingen hade någonsin identifierat dessa burar som isolerade byggstenar."

Sättet att uppnå det, Wiesner sa:stoppa den kemiska reaktionen som producerar dessa former tidigt för att se strukturen vid starten. "Detta var verkligen en del av ett pågående arbete med att optimera kiseldioxidkemi i vår grupp, " sa mamma.

För att bilda dem, partiklar i vatten frystes snabbt till kryogena temperaturer, så snabbt att istället för is, vatten blir ett glasartat fast ämne. Inom de tunna glasartade filmerna kunde burarna avbildas i alla olika orienteringar med cryo-EM. Cirka 19, 000 enkelpartikelbilder samlades in i en stor insats av Ma och andra medlemmar i Wiesner-gruppen.

Gongs maskininlärningsalgoritmer, ursprungligen utvecklad för att studera virusproteinburar, applicerades på delmängder av dessa bilder, sortera dem i klasser och beräkna en 3D-rekonstruktion för varje klass. En beräkning baserad på 2, 000 bilder tar ungefär en dag.

Ungefär som en datortomografi på ett sjukhus, 3D-rekonstruktionerna med en partikel avslöjade partikelns yttre form och inre struktur.

"Vi var mycket glada över att få möjlighet att samarbeta med Wiesner Group om detta problem, "Gong sa, "och demonstrera bredden av vad våra algoritmer och mjukvara kan göra."

Gruppen säger att detta kan vara första gången som tredimensionell 3D-rekonstruktion av cryo-EM-bilder med artificiell intelligens-en snabbt utvecklande teknik inom strukturbiologi-har framgångsrikt tillämpats för upptäckt av syntetiska material.

"När jag först tog upp idén om att bekräfta burstrukturen med denna teknik, de flesta trodde inte att detta var möjligt på grund av materialets komplexitet, "Sa mamma.

"Att detta avslöjade en vacker bur av dodekaedertyp, den mest symmetriska av de fem platoniska fasta ämnen som redan studerats under antiken, var oerhört givande, sa Wiesner.

Så var passar nobelpristagaren in? Flera år tillbaka, Wiesner var med på en föreläsning av Roald Hoffmann, Frank H.T. Rhodes professor emeritus vid Institutionen för kemi och kemisk biologi. Ett ämne för föreläsningen var så kallade clathrate burstrukturer. Ett klatrat är en förening där en gästmolekyl fångas i en annans kristallbur.

Det fick Wiesner att tänka på det arbete hans laboratorium hade utfört på nanoskala strukturer, som hade dykt upp som bara ringar i förundersökning. "Efter föreläsningen, Jag sprang bokstavligen över till Duffield Hall för att berätta för Kai Ma att jag trodde att strukturerna av högre ordning som han ibland såg förmodligen skulle vara strukturer av klatratyp, " Sa Wiesner. "Kai gjorde mer mikroskopi och sa, 'Uli, Jag tror du har rätt.'"

Den serendipitiska kopplingen, och det osannolika samarbetet som involverar maskininlärning med Doerschuk och Gong, är par för kursen på Cornell, Sa Wiesner.

"Det är en typisk Cornell-historia, " sa han. "Du träffar dessa människor från olika avdelningar, och allt bidrar till en stor upptäckt inom vetenskapen av en vacker struktur som aldrig tidigare setts. "

Doerschuk instämde:"Jag kom till Cornell 2006. En av huvudattraktionerna var påståendet att barriärerna mellan avdelningarna är låga och att tvärvetenskapligt arbete uppmuntras. Efter att nu ha arbetat på Cornell i ett decennium, Jag är glad att kunna rapportera att påståendet är sant."

I tidningen, Wiesner hävdar att "baserat på de senaste framgångarna ... av ultralätta fluorescerande kiseldioxid nanopartiklar [" Cornell prickar "] ... kan en hel rad nya diagnostiska och terapeutiska sonder med läkemedel gömda inuti burarna tänkas."