Uma equipe que inclui pesquisadores do Departamento de Química da Universidade de Tóquio capturou com sucesso um vídeo de moléculas individuais em movimento em 1, 600 quadros por segundo. Isso é 100 vezes mais rápido do que experimentos anteriores dessa natureza. Eles conseguiram isso combinando um poderoso microscópio eletrônico com uma câmera altamente sensível e processamento de imagem avançado. Este método pode auxiliar muitas áreas da pesquisa em nanoescala.

Quando se trata de filme e vídeo, o número de imagens capturadas ou exibidas a cada segundo é conhecido como quadros por segundo ou fps. Se o vídeo for capturado em fps alto, mas exibido em fps mais baixo, o efeito é uma desaceleração suave do movimento que permite que você perceba detalhes que de outra forma seriam inacessíveis. Para referência, os filmes exibidos em cinemas geralmente são exibidos a 24 quadros por segundo há mais de 100 anos. Na última década ou assim, microscópios e câmeras especiais permitiram aos pesquisadores capturar eventos em escala atômica em cerca de 16 fps. Mas uma nova técnica aumentou isso para um surpreendente 1, 600 fps.

"Anteriormente, capturamos com sucesso eventos em escala atômica em tempo real, "disse o professor do projeto Eiichi Nakamura." Nosso microscópio eletrônico de transmissão (TEM) oferece uma resolução espacial incrível, mas para ver os detalhes de eventos físicos e químicos em pequena escala, você também precisa de alta resolução temporal. É por isso que buscamos uma técnica de captura de imagem que é muito mais rápida do que os experimentos anteriores, para que possamos desacelerar a reprodução dos eventos e vê-los de uma maneira totalmente nova. "

Nakamura e sua equipe usaram um TEM, pois ele tem o poder de resolver objetos menores que 1 angstrom ou um décimo bilionésimo de um metro. Eles anexaram um dispositivo de imagem chamado câmera de detecção direta de elétrons (DED). Esta câmera é altamente sensível e capaz de altas taxas de quadros. Contudo, mesmo com este poderoso microscópio e câmera sensível, há um enorme obstáculo a superar para obter imagens utilizáveis:Ruído.

"Para capturar alta fps, você precisa de um sensor de imagem com alta sensibilidade, e maior sensibilidade traz consigo um alto grau de ruído visual. Este é um fato inevitável da engenharia eletrônica, "disse o professor associado do projeto Koji Harano." Para compensar esse ruído e obter maior clareza, usamos uma técnica de processamento de imagem chamada Chambolle total varia denoising. Você pode não perceber, mas você provavelmente já viu esse algoritmo em ação, pois é amplamente usado para melhorar a qualidade de imagem de vídeos da web. "

Os pesquisadores testaram sua configuração por imagens de nanotubos de carbono vibrantes que abrigavam moléculas de fulereno (C60) semelhantes a bolas de futebol facetadas feitas de átomos de carbono. A configuração de imagem capturou algum comportamento mecânico nunca visto antes em nanoescala. Como uma pedra em um maracá sacudido, o movimento oscilante da molécula C60 é acoplado com a oscilação do recipiente de nanotubo de carbono. Isso só é visível em altas taxas de quadros.

"Ficamos agradavelmente surpresos que esta redução de ruído e processamento de imagem revelaram o movimento invisível das moléculas de fulereno, "disse Harano." No entanto, ainda temos um problema sério em que o processamento ocorre após a captura do vídeo. Isso significa que o feedback visual do experimento sob o microscópio ainda não é em tempo real, mas com computação de alto desempenho isso pode ser possível em pouco tempo. Isso pode vir a ser uma ferramenta muito útil para aqueles que exploram o mundo microscópico. "