Un equipo que incluye a investigadores del Departamento de Química de la Universidad de Tokio ha capturado con éxito un video de moléculas individuales en movimiento en 1, 600 cuadros por segundo. Esto es 100 veces más rápido que los experimentos anteriores de esta naturaleza. Lo lograron combinando un potente microscopio electrónico con una cámara de alta sensibilidad y procesamiento de imágenes avanzado. Este método podría ayudar a muchas áreas de la investigación a nanoescala.

Cuando se trata de películas y videos, el número de imágenes capturadas o mostradas cada segundo se conoce como fotogramas por segundo o fps. Si el video se captura a fps altos pero se muestra a fps más bajos, el efecto es una ralentización suave del movimiento que le permite percibir detalles que de otro modo serían inaccesibles. Para referencia, Las películas que se exhiben en los cines se han exhibido generalmente a 24 cuadros por segundo durante más de 100 años. En la última década más o menos, microscopios y cámaras especiales han permitido a los investigadores capturar eventos a escala atómica a aproximadamente 16 fps. Pero una nueva técnica ha aumentado esto a un asombroso 1, 600 fps.

"Previamente, capturamos con éxito eventos a escala atómica en tiempo real, ", dijo el profesor del proyecto Eiichi Nakamura." Nuestro microscopio electrónico de transmisión (TEM) ofrece una resolución espacial increíble, pero para ver bien los detalles de los eventos físicos y químicos a pequeña escala, también necesita una alta resolución temporal. Es por eso que buscamos una técnica de captura de imágenes que es mucho más rápida que los experimentos anteriores, para que podamos ralentizar la reproducción de los eventos y verlos de una forma completamente nueva ".

Nakamura y su equipo usaron un TEM, ya que tiene el poder de resolver objetos de menos de 1 angstrom o una diez mil millonésima parte de un metro. Conectaron un dispositivo de imágenes llamado cámara de detección directa de electrones (DED). Esta cámara es muy sensible y puede alcanzar altas velocidades de cuadro. Sin embargo, incluso con este potente microscopio y una cámara sensible, hay un obstáculo enorme que superar para obtener imágenes utilizables:el ruido.

"Para capturar fps altos, necesita un sensor de imagen con alta sensibilidad, y una mayor sensibilidad trae consigo un alto grado de ruido visual. Este es un hecho ineludible de la ingeniería electrónica, ", dijo el profesor asociado del proyecto Koji Harano." Para compensar este ruido y lograr una mayor claridad, utilizamos una técnica de procesamiento de imágenes llamada eliminación de ruido de variación total de Chambolle. Puede que no te des cuenta pero probablemente haya visto este algoritmo en acción, ya que se usa ampliamente para mejorar la calidad de imagen de los videos web ".

Los investigadores probaron su configuración obteniendo imágenes de nanotubos de carbono vibrantes que albergaban moléculas de fullereno (C60) que se asemejaban a balones de fútbol facetados hechos de átomos de carbono. La configuración de imágenes capturó un comportamiento mecánico nunca antes visto en la nanoescala. Como un guijarro en una maraca agitada, el movimiento oscilante de la molécula de C60 está acoplado con la oscilación del contenedor de nanotubos de carbono. Esto solo es visible a altas velocidades de cuadro.

"Nos sorprendió gratamente que este procesamiento de imagen y eliminación de ruido revelara el movimiento invisible de las moléculas de fullereno, "dijo Harano." Sin embargo, todavía tenemos un problema serio en el sentido de que el procesamiento se lleva a cabo después de que se captura el video. Esto significa que la retroalimentación visual del experimento bajo el microscopio aún no es en tiempo real, pero con la computación de alto rendimiento esto podría ser posible en poco tiempo. Esto podría resultar una herramienta muy útil para quienes exploran el mundo microscópico ".