Сложности с изучением мира на уровне отдельных атомов и молекул связаны не только с тем, что это все очень и очень маленькое, но и с тем, что протекающие в этом мире явления и события происходят весьма быстро по сравнению с событиями, происходящими на более крупном уровне масштаба. И не так давно исследователям из Токийского университета удалось запечатлеть на видео движение отдельных молекул, используя новую технологию съемки, скорость работы которой составляет 1600 кадров в секунду.
Когда речь идет об обычных статических снимках, качество изображения определяется лишь разрешающей способностью матрицы используемой камеры. Когда же речь заходит уже о видеосъемке, качество видео, помимо разрешающей способности камеры, определяется еще и скоростью съемки или временем, требующимся камере для формирования одного кадра. Естественно, что чем больше скорость съемки, тем более быстрые процессы могут быть запечатлены на этом видео.
Обычная трансмиссионная электронная микроскопия (Transmission electron microscopy, TEM) обеспечивает отличную пространственную разрешающую способность, однако, ее скоростные характеристики оставляют желать намного лучшего. Ученые уже пытались снять движение атомов при помощи TEM, но максимальная скорость съемки, которую им удалось получить, составляла всего 16 кадров в секунду. Вполне естественно, что при такой видеосъемке были полностью пропущены все самые интересные события, которые происходят на уровне атомов и молекул за сотые или даже тысячные доли секунды.
В своих новых исследованиях японские ученые дополнили TEM-микроскоп специальной DED-камерой (Direct Electron Detection), способной снимать со скоростью 1600 кадров в секунду, в 100 раз быстрей, чем это мог делать стандартный датчик TEM-микроскопа. К сожалению, перед учеными тут же встала проблема, заключающаяся в высоком уровне собственных шумов скоростного электронного датчика. И эту проблему удалось решить только за счет последующей математической обработки видео при помощи специализированных алгоритмов.
“Для получения высокой скорости съемки нужен датчик, обладающий повышенной чувствительностью. Это, к сожалению, также подразумевает повышенный уровень шумов” – пишут исследователи, – “Собственные шумы – это неизбежная отрицательная сторона любой электроники. Для компенсации этих шумов и получения четкости видео мы использовали алгоритм устранения шума Chambolle denoising. Вы, наверное, и не слышали о таком, хотя он широко используется для улучшения качества видео, транслируемого в Интернете”.
Действующими “лицами” снятого видео являются молекулы фуллерена (бакиболлы), состоящие из 60 атомов углерода, формирующих сферу, напоминающую футбольный мяч. На видео эти сферические молекулы движутся и сталкиваются с внутренней поверхностью стенки углеродной нанотрубки, которая из-за этого начинает вибрировать.
Новая технология видеосъемки, будет весьма полезной для наблюдения за происходящими событиями на уровне атомов. Однако, сейчас обработка снятой информации может быть проведена только после завершения съемки и она, эта обработка, занимает достаточно большое время. Использование такой технологии в режиме реального времени станет возможным лишь в будущем, когда компьютеры обретут достаточную для такой задачи вычислительную мощность.