Een team met onderzoekers van de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Tokyo heeft met succes video vastgelegd van enkele bewegende moleculen op 1 600 beelden per seconde. Dit is 100 keer sneller dan eerdere experimenten van deze aard. Dit deden ze door een krachtige elektronenmicroscoop te combineren met een zeer gevoelige camera en geavanceerde beeldverwerking. Deze methode zou veel gebieden van onderzoek op nanoschaal kunnen helpen.

Als het om film en video gaat, het aantal beelden dat elke seconde wordt vastgelegd of weergegeven, staat bekend als de frames per seconde of fps. Als video wordt vastgelegd met hoge fps maar wordt weergegeven met lagere fps, het effect is een vloeiende vertraging van beweging waardoor u anders ontoegankelijke details kunt waarnemen. Als referentie, films die in bioscopen worden vertoond, worden meestal al meer dan 100 jaar met 24 frames per seconde weergegeven. In het laatste decennium of zo, speciale microscopen en camera's hebben onderzoekers in staat gesteld gebeurtenissen op atomaire schaal vast te leggen met ongeveer 16 fps. Maar een nieuwe techniek heeft dit verhoogd tot een duizelingwekkende 1, 600 fps.

"Eerder, we hebben met succes gebeurtenissen op atomaire schaal in realtime vastgelegd, " zei projectprofessor Eiichi Nakamura. "Onze transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) geeft een ongelooflijke ruimtelijke resolutie, maar om details van kleinschalige fysieke en chemische gebeurtenissen goed te zien, je hebt ook een hoge temporele resolutie nodig. Dit is de reden waarom we een techniek voor het vastleggen van afbeeldingen hebben nagestreefd die veel sneller is dan eerdere experimenten, zodat we het afspelen van de gebeurtenissen kunnen vertragen en ze op een geheel nieuwe manier kunnen bekijken."

Nakamura en zijn team gebruikten een TEM omdat het de kracht heeft om objecten op te lossen die kleiner zijn dan 1 angstrom of een tien miljardste van een meter. Ze bevestigden een beeldapparaat dat een directe elektronendetectie (DED) camera wordt genoemd. Deze camera is zeer gevoelig en kan hoge framerates aan. Echter, zelfs met deze krachtige microscoop en gevoelige camera, er moet één enorme hindernis worden genomen om bruikbare beelden te krijgen:ruis.

"Om hoge fps vast te leggen, u een beeldsensor nodig hebt met een hoge gevoeligheid, en een grotere gevoeligheid brengt een hoge mate van visuele ruis met zich mee. Dit is een onvermijdelijk feit van elektronische engineering, " zei Project Associate Professor Koji Harano. "Om dit geluid te compenseren en meer duidelijkheid te bereiken, we gebruikten een beeldverwerkingstechniek genaamd Chambolle Total Variation Denoising. Je realiseert je misschien niet, maar je hebt dit algoritme waarschijnlijk in actie gezien, omdat het veel wordt gebruikt om de beeldkwaliteit van webvideo's te verbeteren."

De onderzoekers testten hun opstelling door vibrerende koolstofnanobuizen in beeld te brengen die fullereen (C60) -moleculen bevatten die lijken op gefacetteerde voetballen gemaakt van koolstofatomen. De beeldopstelling legde mechanisch gedrag vast dat nog nooit eerder op nanoschaal is gezien. Als een kiezelsteen in een geschud maraca, de oscillerende beweging van het C60-molecuul is gekoppeld aan de oscillatie van de koolstofnanobuisjescontainer. Dit is alleen zichtbaar bij hoge framerates.

"We waren aangenaam verrast dat deze ruisonderdrukking en beeldverwerking de onzichtbare beweging van fullereenmoleculen aan het licht bracht, "zei Harano. "Echter, we hebben nog steeds een serieus probleem omdat de verwerking plaatsvindt nadat de video is vastgelegd. Dit betekent dat de visuele feedback van het experiment onder de microscoop nog niet realtime is, maar met een krachtige berekening kan dit binnen de kortste keren mogelijk zijn. Dit kan een zeer nuttig hulpmiddel blijken te zijn voor degenen die de microscopische wereld verkennen."