Ученим вдалося зняти рух молекул зі швидкістю 1600 кадрів в секунду

Jun 17 7:00 2020 Друк цієї статті

І не так давно дослідники з Токійського університету вдалося зафіксувати на відео рух окремих молекул, використовуючи нову технологію зйомки, швидкість роботи якої становить 1600 кадрів в секунду.

Коли мова йде про звичайних статичних знімках, якість зображення визначається лише роздільною здатністю матриці використовуваної камери. Коли ж мова заходить вже про відео, якість відео, крім роздільної здатності камери, визначається ще і швидкістю зйомки або часом, потрібним камері для формування одного кадру. Природно, що чим більше швидкість зйомки, тим більш швидкі процеси можуть бути відображені на відео.

Звичайна трансмісійна електронна мікроскопія (Transmission electron microscopy, TEM) забезпечує відмінну просторову роздільну здатність, однак, її швидкісні характеристики залишають бажати набагато кращого. Вчені вже намагалися зняти рух атомів за допомогою TEM, але максимальна швидкість зйомки, яку їм вдалося здобути, становила лише 16 кадрів в секунду. Цілком природно, що при такій відеозйомці були повністю пропущені всі найцікавіші події, які відбуваються на рівні атомів і молекул за соті або навіть тисячні частки секунди.

У своїх нових дослідженнях японські вчені доповнили TEM-мікроскоп спеціальної DED-камерою (Direct Electron Detection), здатною знімати зі швидкістю 1600 кадрів в секунду, в 100 разів швидше, ніж це міг робити стандартний датчик TEM-мікроскопа. На жаль, перед вченими тут же постала проблема, яка полягає у високому рівні власних шумів швидкісного електронного датчика. І цю проблему вдалося вирішити лише за рахунок подальшої математичної обробки відео за допомогою спеціалізованих алгоритмів.

"Для отримання високої швидкості зйомки потрібен датчик, що володіє підвищеною чутливістю. Це, на жаль, також передбачає підвищений рівень шумів" - пишуть дослідники, - "Власні шуми - це неминуча негативна сторона будь-якої електроніки. Для компенсації цих шумів і отримання чіткості відео ми використовували алгоритм усунення шуму Chambolle denoising. Ви, напевно, й не чули про таке, хоча він широко використовується для поліпшення якості відео, що транслюється в Інтернеті".

Діючими "особами" знятого відео є молекули фулерену (бакиболлы), складаються з 60 атомів вуглецю, що формують сферу, яка нагадує футбольний м'яч. На відео ці сферичні молекули рухаються і стикаються з внутрішньою поверхнею стінки вуглецевої нанотрубки, яка з-за цього починає вібрувати.

Нова технологія відеозйомки, буде вельми корисною для спостереження за подіями, що відбуваються на рівні атомів. Однак, зараз обробка знятої інформації може бути проведена тільки після завершення зйомки і вона, ця обробка, займає досить великий час. Використання такої технології в режимі реального часу стане можливим лише в майбутньому, коли комп'ютери знайдуть достатню для такої задачі обчислювальну потужність.