Un'onda d'urto microscopica è stata fotografata mentre attraversa una singola cellula biologica, grazie a una nuova tecnica fotografica. La fotografia al nanosecondo utilizza fotocamere elettroniche ultraveloci per scattare immagini alla velocità di un miliardesimo di secondo. Tuttavia, la qualità dell'immagine e il tempo di esposizione sono generalmente limitati.
Ora, un team guidato da ricercatori dell’Università di Tokyo ha ottenuto immagini superfini scattate su più scale temporali ad alta velocità utilizzando un sistema che hanno chiamato circuito dello spettro. Il circuito dello spettro colma il divario tra l'imaging ottico e le fotocamere elettroniche convenzionali, consentendo la fotografia a velocità ultraveloci con meno sfocature e maggiore precisione. Questa tecnologia ha potenziali applicazioni per la scienza, la medicina e l'industria.
Il tempismo può essere tutto in fotografia e catturare immagini ad alta velocità rappresenta una sfida particolare. Ma grazie ai progressi nella tecnologia delle fotocamere, oggigiorno possiamo vedere il mondo come mai prima d’ora. Che si tratti del sudore sulla fronte di un ciclista, della messa a fuoco negli occhi di un falco in picchiata o, con questo ultimo miglioramento nella fotografia ai nanosecondi, del movimento di un'onda d'urto che passa attraverso una microscopica singola cellula ad alta velocità.
L'articolo è pubblicato sulla rivista Science Advances .
"Per la prima volta nella storia, per quanto ne sappiamo, abbiamo osservato direttamente l'interazione tra una cellula biologica e un'onda d'urto, e dimostrato sperimentalmente che la velocità dell'onda d'urto che si propaga all'interno della cellula è più veloce di quella all'esterno della cellula. cellula", ha spiegato Takao Saiki, uno studente di dottorato del Dipartimento di Ingegneria di Precisione dell'Università di Tokyo.
"Inoltre, il nostro approccio ci ha permesso di dimostrare la fotografia ad alta velocità in un ampio intervallo di tempo, che comprende picosecondo (un trilionesimo di secondo), nanosecondo (un miliardesimo di secondo) e millisecondo (un millesimo di secondo). ) tempistiche."
Catturare immagini nitide delle cellule senza alterarne la struttura o causare danni è molto impegnativo. Per acquisire le immagini in sicurezza, i ricercatori hanno sviluppato un circuito ottico di precisione, un circuito che utilizza la luce invece dell’elettricità, che hanno chiamato circuito dello spettro. Con il circuito dello spettro hanno creato impulsi laser non dannosi, che hanno impostato per emettere a tempi diversi. Combinando questa tecnologia con una tecnica esistente di imaging ottico a scatto singolo chiamata fotografia di mappatura all-ottica sequenziale temporizzata o STAMP, sono stati in grado di scattare serie di immagini con una definizione più elevata e meno sfocate rispetto a quelle precedentemente disponibili.
Il team ha utilizzato la stessa tecnologia per esaminare gli effetti dell’ablazione laser sul vetro. L'ablazione laser è utile per rimuovere con precisione materiale solido da una superficie e viene utilizzata sia nell'industria che in medicina. I ricercatori hanno focalizzato un impulso laser ultracorto della durata di soli 35 femtosecondi (un femtosecondo equivale a un quadrilionesimo di secondo) su una lastra di vetro. Utilizzando il circuito dello spettro, hanno osservato l'impatto del laser, le onde d'urto risultanti e l'effetto che ha avuto sul vetro nell'arco di picosecondi, nanosecondi e millisecondi.
"Abbiamo potuto vedere l'interazione tra i diversi processi fisici che si verificano nel tempo e il modo in cui hanno preso forma", ha affermato Keiichi Nakagawa, professore associato del Dipartimento di Bioingegneria e del Dipartimento di Ingegneria di Precisione dell'Università di Tokyo. "La nostra tecnologia offre l'opportunità di rivelare fenomeni ad alta velocità utili ma sconosciuti consentendoci di osservare e analizzare tali processi ultraveloci.
"Successivamente, stiamo progettando di utilizzare la nostra tecnica di imaging per visualizzare come le cellule interagiscono con le onde acustiche, come quelle utilizzate nella terapia con ultrasuoni e onde d'urto. In questo modo, miriamo a comprendere i processi fisici primari che attivano i successivi effetti terapeutici nell'uomo." corpo." Il team vuole inoltre utilizzare il circuito dello spettro per migliorare le tecniche di lavorazione laser, identificando i parametri fisici che consentirebbero una produzione più rapida, più precisa, più coerente ed economica.
"Siamo sempre stati affascinati dal potere della visualizzazione di comprendere fenomeni complessi. La possibilità di scoprire e mostrare parti del mondo che prima erano nascoste ci ha davvero attratto verso questo campo", ha affermato Nakagawa. "Ci aspettiamo di dare ampi contributi in vari campi, dalla biomedicina alla produzione, ai materiali, all'ambiente e all'energia."
Ulteriori informazioni: Takao Saiki et al, Imaging ottico a scatto singolo con circuiti di spettro che collegano le scale temporali nella fotografia ad alta velocità, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj8608
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dall'Università di Tokyo
