Ett team inklusive forskare från Institutionen för kemi vid University of Tokyo har framgångsrikt fångat video av enstaka molekyler i rörelse vid 1, 600 bilder per sekund. Detta är 100 gånger snabbare än tidigare experiment av denna karaktär. De åstadkom detta genom att kombinera ett kraftfullt elektronmikroskop med en mycket känslig kamera och avancerad bildbehandling. Denna metod kan hjälpa många områden inom nanoskalaforskning.

När det kommer till film och video, antalet bilder som tas eller visas varje sekund kallas bildrutor per sekund eller fps. Om videon spelas in med höga fps men visas med lägre fps, effekten är en mjuk nedgång av rörelsen som gör att du kan uppfatta annars otillgängliga detaljer. Som referens, filmer som visats på biografer har vanligtvis visats med 24 bilder per sekund i långt över 100 år. Under det senaste decenniet eller så, speciella mikroskop och kameror har gjort det möjligt för forskare att fånga händelser i atomär skala med cirka 16 fps. Men en ny teknik har ökat detta till en svindlande 1, 600 fps.

"Tidigare, vi lyckades fånga händelser i atomskala i realtid, " sa projektprofessor Eiichi Nakamura. "Vårt transmissionselektronmikroskop (TEM) ger otrolig rumslig upplösning, men för att se detaljer om småskaliga fysiska och kemiska händelser väl, Du behöver också hög tidsupplösning. Det är därför vi sökte en bildfångningsteknik som är mycket snabbare än tidigare experiment, så vi kan sakta ner uppspelningen av händelserna och se dem på ett helt nytt sätt."

Nakamura och hans team använde en TEM eftersom den har förmågan att lösa objekt mindre än 1 ångström eller en tiomiljarddels meter. De bifogade en bildåtergivningsenhet som kallas en DED-kamera (direct electron detection). Denna kamera är mycket känslig och klarar av höga bildhastigheter. Dock, även med detta kraftfulla mikroskop och känsliga kamera, det finns ett enormt hinder att övervinna för att få användbara bilder:brus.

"För att fånga höga fps, du behöver en bildsensor med hög känslighet, och högre känslighet för med sig en hög grad av visuellt brus. Detta är ett oundvikligt faktum inom elektronikteknik, " sa projektdocent Koji Harano. "För att kompensera för detta brus och uppnå större klarhet, vi använde en bildbehandlingsteknik som heter Chambolle total variation denoising. Du kanske inte inser, men du har förmodligen sett den här algoritmen i aktion eftersom den används i stor utsträckning för att förbättra bildkvaliteten på webbvideor."

Forskarna testade sin uppställning genom att avbilda vibrerande kolnanorör som inhyste fulleren (C60) molekyler som liknade facetterade fotbollsbollar gjorda av kolatomer. Bilduppsättningen fångade en del mekaniskt beteende som aldrig tidigare setts på nanoskala. Som en sten i en skakad maraca, C60-molekylens oscillerande rörelse är kopplad till oscillationen av kolnanorörsbehållaren. Detta är bara synligt vid höga bildfrekvenser.

"Vi blev glatt överraskade över att den här försvagningen och bildbehandlingen avslöjade fullerenmolekylernas osynliga rörelse, " sade Harano. "Men, vi har fortfarande ett allvarligt problem i och med att bearbetningen sker efter att videon har tagits. Detta betyder att den visuella återkopplingen från experimentet under mikroskopet ännu inte är i realtid, men med högpresterande beräkningar kan detta vara möjligt inom kort. Detta kan visa sig vara ett mycket användbart verktyg för dem som utforskar den mikroskopiska världen."