Enkelte molekyler fanget på video med en hidtil uset 1, 600 billeder i sekundet

Et hold inklusive forskere fra Institut for Kemi ved University of Tokyo har med succes optaget video af enkelte molekyler i bevægelse ved 1, 600 billeder i sekundet. Dette er 100 gange hurtigere end tidligere eksperimenter af denne art. Det opnåede de ved at kombinere et kraftigt elektronmikroskop med et meget følsomt kamera og avanceret billedbehandling. Denne metode kan hjælpe mange områder af forskning i nanoskala.

Når det kommer til film og video, antallet af billeder, der tages eller vises hvert sekund, er kendt som frames per second eller fps. Hvis video optages ved høje fps, men vises ved lavere fps, effekten er en jævn opbremsning af bevægelsen, som giver dig mulighed for at opfatte ellers utilgængelige detaljer. Til reference, film vist i biografer er normalt blevet vist med 24 billeder i sekundet i godt 100 år. I det sidste årti eller deromkring, specielle mikroskoper og kameraer har gjort det muligt for forskere at fange begivenheder på atomare skala med omkring 16 fps. Men en ny teknik har øget dette til en svimlende 1, 600 fps.

"Tidligere vi fangede begivenheder på atomare skala i realtid, " sagde projektprofessor Eiichi Nakamura. "Vores transmissionselektronmikroskop (TEM) giver en utrolig rumlig opløsning, men for at se detaljer om små fysiske og kemiske begivenheder godt, du har også brug for høj tidsmæssig opløsning. Det er derfor, vi forfulgte en billedoptagelsesteknik, der er meget hurtigere end tidligere eksperimenter, så vi kan bremse afspilningen af ​​begivenhederne og se dem på en helt ny måde."

Nakamura og hans team brugte en TEM, da den har magten til at løse objekter mindre end 1 ångstrøm eller en ti-milliarddel af en meter. De tilsluttede en billeddannende enhed kaldet et DED-kamera (direkte elektrondetektion). Dette kamera er meget følsomt og er i stand til høje billedhastigheder. Imidlertid, selv med dette kraftfulde mikroskop og følsomme kamera, der er én enorm forhindring at overvinde for at få brugbare billeder:Støj.

"For at fange høje fps, du har brug for en billedsensor med høj følsomhed, og større følsomhed medfører en høj grad af visuel støj. Dette er en uundgåelig kendsgerning inden for elektronisk teknik, " sagde projektlektor Koji Harano. "For at kompensere for denne støj og opnå større klarhed, vi brugte en billedbehandlingsteknik kaldet Chambolle total variation denoising. Du er måske ikke klar over, men du har sikkert set denne algoritme i aktion, da den er meget brugt til at forbedre billedkvaliteten af ​​webvideoer."

Forskerne testede deres opsætning ved at afbilde vibrerende carbon-nanorør, som rummede fulleren (C60)-molekyler, der ligner facetterede fodbolde lavet af carbonatomer. Billedopsætningen fangede noget mekanisk adfærd, der aldrig er set før på nanoskalaen. Som en sten i en rystet maraca, den oscillerende bevægelse af C60 molekylet er koblet med oscillationen af ​​carbon nanorørbeholderen. Dette er kun synligt ved høje billedhastigheder.

"Vi var glædeligt overraskede over, at denne afbrænding og billedbehandling afslørede den usete bevægelse af fullerenmolekyler, sagde Harano. vi har stadig et alvorligt problem, idet behandlingen finder sted efter videoen er optaget. Dette betyder, at den visuelle feedback fra eksperimentet under mikroskopet endnu ikke er i realtid, men med højtydende beregninger kan dette være muligt inden alt for længe. Dette kunne vise sig at være et meget nyttigt værktøj for dem, der udforsker den mikroskopiske verden."