تصویربرداری برودتی همراه با یادگیری ماشینی به دانشمندان این امکان را داد تا ساختار شیمیایی پلیمرهای پپتوئیدی کوتاه را مشاهده کنند.
دانشمندان روی ساختار اتمی پروتئین‌های مصنوعی زوم می‌کنند
دانشمندان با استفاده از یک مولکول مصنوعی و پروتئین مانند به‌نام پلی پپتوئید، ورقه‌های بلوری نازک و کاغذ مانندی ایجاد کردند. این نانوصفحات تنها یک مولکول ضخامت دارند و مولکول‌ها در آن به روش‌های بسیار خاصی چیده شده‌اند. دانشمندان با استفاده از میکروسکوپ‌های الکترونی در شرایط برودتی از این نانوصفحات عکس گرفته‌اند.
تا همین اواخر این تصاویر به‌دلیل تعداد اندک الکترون که می‌توانند بدون ایجاد آسیب از ورقه‌ها عبور کنند تار بودند. در این مطالعه محققان از الگوریتم‌های مبتنی بر یادگیری ماشین برای پردازش حدود ۵۰۰۰۰۰ تصویر مستقل استفاده کردند. نتیجه، اولین تصویر واضح و در فضای واقعی از اتم‌های منفرد در یک ماده نرم مصنوعی است.
پلیمرهای مصنوعی برای بسیاری از محصولاتی که ما آن‌ها را بدیهی می‌دانیم ضروری هستند. این مواد در طیف وسیعی از محصولات از مبلمان پلاستیکی گرفته تا بدنه هواپیماهای مدرن استفاده می‌شوند. آن‌ها همچنین در قلب دستگاه‌هایی مانند سلول‌های سوختی و باتری‌های قابل شارژ قرار دارند. این دستگاه‌ها به‌طور فزاینده‌ای در حوزه انرژی در حال استفاده هستند.
تمام خواص مهم پلیمرهای مصنوعی به آرایش اتم‌های آن‌ها بستگی دارد. توانایی دانشمندان برای قرار دادن اتم‌های منفرد در مواد پلیمری، درک ما را از تنگناهایی که عملکرد پلیمرهای مصنوعی را محدود می‌کنند، بهبود می‌بخشد. این تحقیق همچنین گام مهمی را در علم نانو ایجاد می‌کند.
برای اولین بار، دانشمندان جزئیات ساختاری اتمی یک ماده نرم مصنوعی را آشکار کردند. کوپلیمرهای دوبلوک پپتوئیدی از دو زنجیره پروتئین مانند مختلف تشکیل شده‌اند که به یکدیگر متصل شده‌اند. این مواد به گونه‌ای طراحی شده‌اند که صفحات بلوری بسیار سازمان یافته‌ای را در آب تشکیل دهند.
تک تک مولکول‌ها و جهت‌گیری‌های نسبی آن‌ها در نانوصفحات به‌طور مستقیم با میکروسکوپ الکترونی عبوری برودتی (cryo-TEM) مشاهده شد، که جزئیات اتمی را به گونه‌ای نشان می‌دهد که با روش‌های دیگر قابل تشخیص نیست. دمای فوق‌العاده سردی که برای انجماد نانوصفحات استفاده شد، مولکول‌ها را در جای خود قفل کرد.
تصویربرداری از نمونه در شرایط برودتی به جلوگیری از تخریب ساختار الکترون های پرانرژی کمک کرد. برای محافظت بیشتر از مواد نرم در برابر پرتو الکترونی، محققان از الکترون های کمتری در هر تصویر استفاده کردند. تصاویر به‌دست‌آمده در این شرایط با استفاده از ابزارهای ریاضی پیچیده و الگوریتم‌های یادگیری ماشین برای تولید تصاویر با وضوح بالا از ساختار مقیاس اتمی پردازش شدند.
سنتز دقیق ترکیبی پلیمرهای پپتوئید، تصویربرداری اتمی از cryo-TEM و مدل‌سازی محاسباتی به دانشمندان کمک کرد تا ساختارهای پلیمری را در سطح اتمی درک کنند. اکنون محققان می‌توانند ویرایش‌هایی در سطح اتمی برای طراحی مولکول‌های هدفمند انجام دهند. این امر راه را برای مهندسی منطقی توابع پیچیده به مواد نرم از طریق کنترل سیستماتیک ساختار شیمیایی آن‌ها هموار می کند.
