IN PRIMA VISIONE LE RIPRESE DEL MOTO RAPIDISSIMO DELLE MOLECOLE

Scene da un fullerene

Fotogrammi scattati con tempi di esposizione inferiore al millisecondo e risoluzione superiore a 0.1 nanometri costituiscono le prime riprese dirette di una singola molecola di fullerene che si muove, ruota e interagisce con il nanotubo di carbonio vibrante che la contiene. La tecnica innovativa prevede l’utilizzo combinato di un microscopio elettronico, una fotocamera veloce e un algoritmo di rimozione del rumore. Si tratta del prototipo di una macchina a molecole singole e potrà servire in molti ambiti di ricerca su nanoscala

     05/06/2020
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Se osserviamo il mondo che ci circonda – qualunque corpo esistente animato e non, se osserviamo un bicchiere d’acqua pieno posto sul tavolo, ad esempio – la maggior parte di ciò che vedremo ci apparirà statico, completamente fermo. In realtà, tutte le molecole costituenti la materia vibrano. Per loro stessa natura, e perché la temperatura alla quale si trovano è superiore al cosiddetto zero termico – zero gradi nella scala Kelvin, circa -273.15 nella scala Celsius.

Immaginiamo quindi di poter vedere veramente, molecola per molecola, il concerto di movimenti che avviene all’interno di tutto quel che abbiamo attorno a noi, in questo momento. Quanti fotogrammi per secondo dovrebbe riuscire a registrare il nostro occhio? In altre parole, quanto veloci temporalmente e piccoli spazialmente sono i movimenti di queste molecole?

Un team di ricercatori guidato dal dipartimento di chimica dell’università di Tokyo è riuscito a girare un video che mostra il moto di singole molecole con una definizione di 1600 fotogrammi per secondo: oltre cento volte più rapido di qualunque esperimento precedentemente effettuato in questo ambito. Il successo è stato ottenuto grazie alla combinazione di un potente microscopico elettronico con una fotocamera a elevata sensibilità dotata di un sistema avanzato di processamento delle immagini.

Nella nostra esperienza comune di visione di film e video, il numero di fotogrammi mostrati ogni secondo è denominato fps – dall’inglese frames per second. Se un video viene girato con un elevato fps ma mostrato a un ritmo inferiore, l’effetto visivo è quello di un dolce rallentamento dell’azione, che consente di scorgere dettagli altrimenti inaccessibili. Per più di cento anni i film proiettati al cinema erano mostrati a 24 fps. Tornando alla scienza, nell’ultimo decennio speciali microscopi e fotocamere hanno consentito ai ricercatori di catturare eventi su scale atomiche con una frequenza relativamente bassa: al massimo 16 fps. Ora il team dell’università di Tokyo è riuscito a raggiungere una risoluzione temporale cento volte superiore: ben 1600 fps.

«Finora riuscivamo a vedere eventi su scale atomiche in tempo reale», dice il professore responsabile del progetto, Elichi Nakamura. «Il nostro microscopio elettronico a trasmissione (Tem) ci consente un’incredibile risoluzione spaziale, ma per osservare bene i dettagli di eventi fisici e chimici su piccola scala occorre anche un elevato campionamento temporale. Questa è la ragione che ci ha spinti a cercare una tecnica di cattura delle immagini molto più rapida dei precedenti esperimenti, in modo da poter rallentare la riproduzione degli eventi e vederli in un modo completamente nuovo».

Il team di Nakamura ha combinato l’elevata risoluzione spaziale del microscopio Tem – in grado di risolvere oggetti più piccoli di un decimiliardesimo di metro – con un sistema per la cattura di immagini chiamato Ded – letteralmente, rivelatore elettronico diretto – capace di eseguire fotogrammi con un campionamento molto alto. I ricercatori hanno testato questo nuovo metodo cercando di osservare il moto di alcune molecole di fullerene – formate da sessanta atomi di carbonio legati in una caratteristica forma “a pallone da calcio” – contenute in nanotubi di carbonio vibranti.

Nanotubi rumorosi. Non è facile riconoscerle, ma con la pratica i ricercatori riescono facilmente vedere le molecole in movimento. Crediti: University of Tokyo

Come ci insegna anche la fisica quantistica, però, non si può alzare infinitamente a piacere la precisione con la quale si vuol determinare una misura senza pagarne il prezzo. Disporre di un’eccezionale combinazione di microscopio e fotocamera, infatti, significa dover fare i conti con il rumore. I fotogrammi grezzi scattati dal sistema – mostrati nella prima riga dell’immagine qui a fianco – sono dominati dal rumore, e risultano incomprensibili. Ogni fotogramma scattato a 1600 fps – in termini temporali, 0.625 millisecondi per fotogramma – cattura infatti solo 4.4 elettroni per pixel, rendendo il rapporto segnale rumore decisamente limitante.

«Per raggiungere elevati fps, occorre disporre di un sensore di immagine estremamente sensibile, ma a sensibilità crescente corrisponde un maggior rumore visivo. Questo è un fatto inevitabile nell’ingegneria elettronica», spiega uno dei coautori dello studio, Koji Harano. «Per rimuovere il rumore e raggiungere una nitidezza maggiore, abbiamo utilizzato un algoritmo di elaborazione delle immagini noto come regolarizzazione a variazione totale di Chambolle. Probabilmente non ve ne sarete resi conto, ma avete certamente sperimentato gli effetti di questo meccanismo, poiché viene ampiamente usato per migliorare la qualità dei video nel web»

La pulizia del rumore sul singolo fotogramma si può vedere nell’immagine centrale. Ancora poco visibile, specialmente ai nostri occhi poco esperti. È stato solo dopo aver sovrapposto cinquanta fotogrammi che le immagini delle molecole sono apparse finalmente nitide – nell’immagine, il pannello più in basso.

La messa a punto di questa tecnica ha consentito l’osservazione dei moti meccanici di una singola molecola coordinata alla vibrazione di un nanotubo di carbonio con errori temporali dell’ordine di 0.9 millisecondi e spaziali dell’ordine di 0.01 nanometri (un centesimo di miliardesimo di metro).

Moti meccanici di questo tipo non erano mai stati osservati direttamente in precedenza. Come sassetti in una maraca (vedi immagine in apertura), il moto oscillatorio delle molecole di fullerene è accoppiato all’oscillazione dei nanotubi che le contengono, e le molecole fanno la spola all’interno delle pareti del tubo in appena 1.875 millisecondi.

«Siamo rimasti positivamente sorpresi che questo metodo di rimozione del rumore ed elaborazione dell’immagine abbia rivelato il moto inedito delle particelle di fullerene», conclude Harano. «Comunque, ci sono ancora difficoltà legate al fatto che l’elaborazione dei fotogrammi avviene dopo la ripresa del video. Questo significa che non c’è un feedback dell’esperimento al microscopio in tempo reale, ma confidiamo che questo sarà possibile in tempi ragionevoli grazie alle odierne tecniche computazionali avanzate. Sarà uno strumento estremamente utile a tutti coloro che vogliono esplorare il mondo microscopico».

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