Un team che comprende ricercatori del Dipartimento di Chimica dell'Università di Tokyo ha catturato con successo video di singole molecole in movimento a 1, 600 fotogrammi al secondo. Questo è 100 volte più veloce dei precedenti esperimenti di questa natura. Ci sono riusciti combinando un potente microscopio elettronico con una fotocamera altamente sensibile e un'elaborazione avanzata delle immagini. Questo metodo potrebbe aiutare molte aree della ricerca su scala nanometrica.

Quando si tratta di film e video, il numero di immagini catturate o visualizzate ogni secondo è noto come fotogrammi al secondo o fps. Se il video viene catturato a fps elevati ma visualizzato a fps inferiori, l'effetto è un rallentamento graduale del movimento che permette di percepire dettagli altrimenti inaccessibili. Per riferimento, i film proiettati nei cinema sono stati generalmente proiettati a 24 fotogrammi al secondo per oltre 100 anni. Nell'ultimo decennio o giù di lì, microscopi e fotocamere speciali hanno permesso ai ricercatori di catturare eventi su scala atomica a circa 16 fps. Ma una nuova tecnica ha aumentato questo fino a un incredibile 1, 600 fps.

"In precedenza, abbiamo catturato con successo eventi su scala atomica in tempo reale, " ha affermato il Professor Eiichi Nakamura del progetto. "Il nostro microscopio elettronico a trasmissione (TEM) offre un'incredibile risoluzione spaziale, ma per vedere bene i dettagli di eventi fisici e chimici su piccola scala, hai bisogno anche di un'alta risoluzione temporale. Questo è il motivo per cui abbiamo perseguito una tecnica di acquisizione delle immagini che è molto più veloce degli esperimenti precedenti, così possiamo rallentare la riproduzione degli eventi e vederli in un modo completamente nuovo".

Nakamura e il suo team hanno utilizzato un TEM in quanto ha il potere di risolvere oggetti più piccoli di 1 angstrom o un decimiliardesimo di metro. Hanno collegato un dispositivo di imaging chiamato fotocamera a rilevamento diretto degli elettroni (DED). Questa fotocamera è altamente sensibile ed è in grado di ottenere frame rate elevati. Però, anche con questo potente microscopio e la fotocamera sensibile, c'è un enorme ostacolo da superare per ottenere immagini utilizzabili:il rumore.

"Per catturare fps alti, hai bisogno di un sensore di immagine ad alta sensibilità, e una maggiore sensibilità porta con sé un alto grado di rumore visivo. Questo è un fatto inevitabile dell'ingegneria elettronica, ", ha affermato il Professore associato del progetto Koji Harano. "Per compensare questo rumore e ottenere una maggiore chiarezza, abbiamo usato una tecnica di elaborazione delle immagini chiamata denoising della variazione totale di Chambolle. Potresti non rendertene conto, ma probabilmente hai visto questo algoritmo in azione poiché è ampiamente utilizzato per migliorare la qualità dell'immagine dei video web."

I ricercatori hanno testato la loro configurazione immaginando nanotubi di carbonio vibranti che ospitavano molecole di fullerene (C60) simili a palloni da calcio sfaccettati realizzati con atomi di carbonio. La configurazione delle immagini ha catturato alcuni comportamenti meccanici mai visti prima su scala nanometrica. Come un sassolino in una maraca scossa, il movimento oscillatorio della molecola C60 è accoppiato all'oscillazione del contenitore di nanotubi di carbonio. Questo è visibile solo a frame rate elevati.

"Siamo rimasti piacevolmente sorpresi dal fatto che questo denoising e l'elaborazione delle immagini abbiano rivelato il movimento invisibile delle molecole di fullerene, " disse Harano. "Tuttavia, abbiamo ancora un problema serio in quanto l'elaborazione avviene dopo che il video è stato catturato. Ciò significa che il feedback visivo dell'esperimento al microscopio non è ancora in tempo reale, ma con il calcolo ad alte prestazioni questo potrebbe essere possibile in poco tempo. Questo potrebbe rivelarsi uno strumento molto utile per coloro che esplorano il mondo microscopico".