Складнощі з вивченням світу на рівні окремих атомів і молекул пов’язані не тільки з тим, що це все дуже і дуже маленьке, але і з тим, що протікають в цьому світі явища і події відбуваються дуже швидко в порівнянні з подіями, що відбуваються на більш великому рівні масштабу. І не так давно дослідникам 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 звичайні статичних знімках, якість зображення визначається лише роздільною здатністю матриці використовуваної камери. Коли ж мова заходить вже попередили про відеозйомку, якість відео, крім роздільної здатності камери, визначається ще й швидкістю зйомки або часом, що вимагаються камері для формування одного кадру. Природно, що чим більше швидкість зйомки, тим швидші процеси можуть бути відображені на цьому 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 отримати, становила всього 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), здатної 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 встала проблема, яка полягає у високому рівні власних шумів швидкісного електронного датчика. І цю проблему вдалося вирішити тільки 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 має на увазі 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, і не чули про таке, хоча він широко використовується для поліпшення якості відео, трансльованого в Інтернеті “.
Чинними “особами” знятого відео є молекули фулерену (бакібол), що складаються з 60 атомів вуглецю, які формують сферу, що нагадує футбольний м’яч. На відео ці сферичні молекули рухаються і стикаються з внутрішньою поверхнею стінки вуглецевої нанотрубки, яка через це 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 такого завдання обчислювальну потужність. Джерело