高速原子视频：以惊人的每秒1600帧的速度捕获单个分子

一开始很难确定，但是通过实践，研究人员可以轻松地看到运动中的分子。

东京大学化学系的一个研究人员组成的团队以每秒1600帧的速度成功捕获了运动中的单个分子的视频。这比以前这种性质的实验快100倍。他们通过将功能强大的电子显微镜与高度灵敏的相机和先进的图像处理相结合来实现这一目标。这种方法可以帮助纳米研究的许多领域。

对于电影和视频，每秒捕获或显示的图像数量称为每秒帧数或fps。如果以高fps捕获视频，但以较低fps显示视频，则效果会平稳地减慢运动速度，使您可以感知否则无法访问的细节。作为参考，在电影院放映的电影通常以每秒24帧的速度放映100多年。在过去的十年左右的时间里，特殊的显微镜和照相机使研究人员能够以约16 fps的速度捕获原子级事件。但是一项新技术将其提高到了惊人的1600 fps。

“以前，我们成功地实时捕获了原子尺度的事件，”中村荣一教授说。“我们的透射电子显微镜（TEM）提供了令人难以置信的空间分辨率，但是要很好地查看小规模物理和化学事件的细节，您也需要高的时间分辨率。这就是为什么我们追求一种比早期实验快得多的图像捕获技术的原因，因此我们可以放慢事件的回放速度并以全新的方式查看它们。”

Nakamura和他的团队使用了TEM，因为它可以分辨小于1埃或十分之一米的物体。他们安装了称为直接电子检测（DED）相机的成像设备。这款相机非常灵敏，并且能够实现高帧频。但是，即使使用这种强大的显微镜和灵敏的相机，也要克服一个巨大的障碍，以获得可用的图像：噪音。

“要捕获高fps，您需要具有高灵敏度的成像传感器，而更高的灵敏度会带来高度的视觉噪声。这是电子工程学不可避免的事实。“为了补偿这种噪声并获得更高的清晰度，我们使用了一种称为Chambolle总变化降噪的图像处理技术。您可能没有意识到，但是您可能已经看到了这种算法的实际效果，因为该算法被广泛用于提高Web视频的图像质量。”

研究人员通过对振动的碳纳米管进行成像来测试其设置，该碳纳米管中装有富勒烯（C60）分子，类似于由碳原子制成的多面足球。成像设置捕获了一些纳米级以前从未见过的机械行为。就像摇曳的马拉卡中的卵石一样，C60分子的振荡运动与碳纳米管容器的振荡耦合在一起。这仅在高帧频下可见。

Harano说：“我们的降噪和图像处理过程揭示了富勒烯分子看不见的运动，我们感到非常惊讶。”“但是，我们仍然存在严重的问题，因为处理过程是在捕获视频之后进行的。这意味着来自显微镜下实验的视觉反馈还不是实时的，但是通过高性能的计算，这可能很快就会成为现实。对于那些探索微观世界的人来说，这可能是一个非常有用的工具。”

###

参考：“具有亚毫秒级亚精确度的单分子航天器机械运动的实时视频成像”，作者：清水敏史（Toshiki Shimizu），多米尼克·隆格里奇（Dominik Lungerich），约书亚·斯塔克纳（Joshua Stuckner），村山光宏，原村浩二和中村荣一，2020年6月4日，《化学通报》日本学会
10.1246 / bcsj.20200134

这项研究得到了教育，文化，体育，科学和技术部MEXT（KAKENHI 19H05459），日本科学技术厅（SENTAN JPMJSN16B1），国家科学基金会（EAPSI＃1713989和DMREF＃1533969）的支持。国家地球与环境纳米技术基础设施中心（NanoEarth）（NSF ECCS＃1542100）。