Команда, включающая исследователей с химического факультета Токийского университета, успешно сняла видео одиночных молекул в движении со скоростью 1600 кадров в секунду. Это в 100 раз быстрее, чем показали предыдущие эксперименты подобного рода. Об этом сообщилBulletin of the Chemical Society of Japan.
Команда объединила мощный электронный микроскоп с высокочувствительной камерой и передовой обработкой изображений. Этот метод может помочь во многих областях наноразмерных исследований.
Когда дело доходит до кино и видео, количество изображений, захваченных или отображаемых каждую секунду, называется кадрами в секунду. Для справки, фильмы, показанные в кинотеатрах, обычно демонстрировались со скоростью 24 кадра в секунду в течение более 100 лет. В последнее десятилетие специальные микроскопы и камеры позволяли исследователям фиксировать события атомного масштаба со скоростью около 16 кадров в секунду. Но новая техника увеличила это до потрясающих 1600 кадров в секунду.
«Ранее мы успешно фиксировали события атомного масштаба в режиме реального времени. Наш просвечивающий электронный микроскоп (TEM) дает невероятное пространственное разрешение, но чтобы хорошо видеть детали небольших физических и химических событий, вам также необходимо высокое временное разрешение. Вот почему мы применили метод захвата изображений, который намного быстрее, чем в предыдущих экспериментах. Поэтому мы можем замедлить воспроизведение событий и увидеть их совершенно по-новому».
Профессор Токийского университета и руководитель проекта Эйичи Накамура
Накамура и его команда использовали этот электронный микроскоп, поскольку он способен создавать высокое разрешение объектов размером менее 1 ангстрема или одной десятитысячной доли метра. Они прикрепили устройство визуализации, которое называется камерой прямого обнаружения электронов (DED). Эта камера очень чувствительна. Однако даже при использовании этого мощного микроскопа и чувствительной камеры для получения полезных изображений необходимо преодолеть одно огромное препятствие — шум.
«Для захвата высоких fps вам нужен датчик изображения с высокой чувствительностью, а большая чувствительность влечет за собой высокую степень визуального шума. Это неизбежный факт электронного инжиниринга. Чтобы компенсировать этот шум и добиться большей четкости, мы использовали технику обработки изображений, называемую шумоподавлением полной вариации Chambolle. Вы можете не осознавать, но вы, вероятно, видели этот алгоритм в действии, поскольку он широко используется для улучшения качества изображения веб-видео».
доцент Токийского университета и участник проекта Коджи Харано
Исследователи проверили установку, визуализируя вибрирующие углеродные нанотрубки, в которых находились молекулы фуллерена (C60), напоминающие граненые футбольные мячи, сделанные из атомов углерода. На изображении были зафиксированы некоторые механические свойства, никогда не встречавшиеся ранее на наноуровне. Колебательное движение молекулы С60 связано с колебанием контейнера с углеродными нанотрубками. Это видно только при высокой частоте кадров.
