Комбинация специальной камеры и высокочувствительного электронного микроскопа помогла визуализировать колебания атомов в молекулах фуллерена.
Кадры съемки, сделанной учеными в ходе работы. Можно различить круглые очертания структуры фуллереновых молекул / Nakamura, Harano, Shimizu et al., Bulletin of the Chemical Society of Japan, 2020
Химики из Токийского университета сняли движение одиночных молекул на видео с частотой 1600 кадров в секунду. Это в 100 раз более высокая частота, чем в предыдущих опытах такого рода. Статья об этом опубликована в издании Bulletin of the Chemical Society of Japan.
Подобного результата ученые добились, объединив электронный микроскоп с высокочувствительной камерой и передовыми технологиями обработки изображений. «Наша просвечивающая электронная микроскопия дает невероятное пространственное разрешение, но, чтобы хорошо видеть детали физических и химических событий, также необходимо высокое временное разрешение. Поэтому мы применили метод захвата изображений», — говорит один из авторов исследования Эйичи Накамура.
К микроскопу, который способен различимо показывать объект размером менее одного ангстрема (одна десятитысячная доля микрометра), прикрепили камеру с прямой детекцией электронов. Но даже при такой комбинации сверхчувствительных приборов есть проблема, которая мешает получить четкое изображение, — визуальный шум. Чтобы устранить его, ученые воспользовались методом полной вариации: подобные алгоритмы часто применяются для улучшения качества потокового видео.
Накамура и его коллеги проверили свою установку, снимая углеродные нанотрубки из молекул фуллерена: выпуклых многогранников, состоящих из 60 атомов углерода и по структуре напоминающих футбольный мяч. Ученым удалось установить, что колебания атомов в этих молекулах связаны с колебаниями контейнера с нанотрубками, чего не наблюдалось в похожих экспериментах ранее.
«Мы были приятно удивлены, что эта шумоподавляющая обработка изображений выявила ранее ненаблюдаемое движение молекул фуллерена, — говорит участник проекта Кодзи Харано. — Тем не менее у нас все еще есть серьезная проблема в том, что обработка изображения происходит уже после захвата видео. Это означает, что визуальная обратная связь пока проходит не в режиме реального времени».
Тем не менее технология, разработанная японскими учеными, чрезвычайно полезна для исследования наноразмерных структур. Подобная методика съемки может показать новые аспекты взаимодействия и поведения молекул и атомов.
Ранее мы писали о том, что ученые впервые сумели снять на видео сверхбыстрое вращение молекулы, а на поверхности золота обнаружены элементарные частицы, одновременно являющиеся собственными античастицами.
