Expertos capturan el movimiento de moléculas individuales por primera vez en video

Expertos lograron capturar moléculas individuales por primera vez en un video a 1,600 cuadros por segundo. Este es un experimento sin precedentes.

Un equipo, que incluye a investigadores del Departamento de Química de la Universidad de Tokio, capturó con éxito el movimiento de moléculas en video a 1,600 cuadros por segundo. Esto es 100 veces más rápido que los experimentos anteriores de esta naturaleza.

Lograron esto combinando un potente microscopio electrónico con una cámara altamente sensible y un procesamiento de imágenes avanzado. Este método podría ayudar en muchas áreas de investigación a nanoescala.

Cuando se trata de películas y videos, la cantidad 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 desaceleración suave del movimiento que le permite percibir detalles que de otro modo serían inaccesibles.

Como referencia, las películas que se muestran en los cines generalmente se han exhibido 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 la asombrosa cifra de 1,600 FPS.

“Anteriormente, capturamos con éxito eventos a escala atómica en tiempo real”, dijo el profesor del proyecto Eiichi Nakamura.

“Nuestro microscopio electrónico de transmisión (TEM) brinda una resolución espacial increíble, pero para ver bien los detalles de eventos físicos y químicos a pequeña escala, también necesita una resolución temporal alta. Es por eso que buscamos una técnica de captura de imágenes que sea mucho más rápida que los experimentos anteriores, para que se pudiera ralentizar la reproducción de los eventos y verlos de una manera completamente nueva”.

Nakamura y su equipo usaron un TEM. Ya que, tiene el poder de resolver objetos más pequeños que 1 ángstrom o una diezmilmillonésima parte de un metro.

Asimismo, adjuntaron un dispositivo de imágenes llamado cámara de detección directa de electrones (DED). Esta cámara es altamente sensible y es capaz de lograr velocidades de cuadro altas. Sin embargo, incluso con este potente microscopio y cámara sensible, hay que superar un enorme obstáculo para obtener imágenes utilizables: el ruido.

“Para capturar altos FPS, se necesita un sensor de imágenes con alta sensibilidad, y una mayor sensibilidad trae consigo un alto grado de ruido visual. Este es un hecho inevitable 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 Desnoisado de variación total de Chambolle”, explicó. Puede que no se dé cuenta, pero probablemente haya visto este algoritmo en acción. Ya que, se usa ampliamente para mejorar la calidad de imagen de los videos web”, agregó.

Los investigadores probaron su configuración mediante imágenes de nanotubos de carbono vibrantes que albergaban moléculas de fullereno (C60) que se asemejan a balones de fútbol facetados hechos de átomos de carbono.

La configuración de imagen capturó un comportamiento mecánico nunca antes visto a nanoescala.

Como una piedra en una maraca sacudida, el movimiento oscilante de la molécula C60 se combina con la oscilación del contenedor de nanotubos de carbono. Esto solo es visible a altas velocidades de cuadro.

“Nos sorprendió gratamente que esta eliminación de ruido y el procesamiento de imágenes revelaran el movimiento invisible de las moléculas de fullereno”, dijo Harano.

“Sin embargo, todavía tenemos un problema grave porque el procesamiento se lleva a cabo después de capturar el video. Esto significa que la retroalimentación visual del experimento bajo el microscopio aún no es en tiempo real, pero con el cómputo de alto rendimiento esto podría ser posible en poco tiempo. Esta podría resultar una herramienta muy útil para quienes exploran el mundo microscópico”, finalizó.

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Este es el primer video en el que se registra el movimiento de moléculas individuales:

Este artículo es una recopilación de material publicado previamente por la Universidad de Tokio.