Nanotecnologia

Filme mais rápido do mundo é registrado em hologramas

Filme mais rápido do mundo é registrado em hologramas
Um laser de raios X captura as imagens em um holograma duplo, que depois é decodificado para se obter a sequência das imagens na ordem temporal correta. [Imagem: HZB/Eisebitt]

Cientistas da Universidade Técnica de Berlim desenvolveram uma técnica capaz de captar imagens tão rapidamente que se torna possível filmar processos biológicos ocorrendo em nível molecular.

Filme molecular

Para entender melhor como nosso sistema imunológico nos defende contra um vírus, ou os processos que ocorrem durante a fotossíntese, os cientistas precisam rastrear as reações e as interações em nível molecular.

Mas esses processos não são apenas minúsculos - eles são extremamente rápidos e, por isso, muito difíceis de serem acompanhados.

A equipe coordenada pelo Dr. Stefan Eisebitt agora desenvolveu uma técnica capaz de fazer um "filme molecular", que mostra como uma molécula se comporta em um momento crítico de uma reação química.

Embora ainda não seja uma supercâmera pronta para uso, a técnica poderá se transformar em uma ferramenta fundamental para as pesquisas não apenas nas ciências da vida, mas também no desenvolvimento de novas fontes de energia, na química em geral e nas nanociências.

Imagens sobrepostas

Os processos em nível molecular ocorrem em tempos na faixa dos femtossegundos - 1 femtossegundo equivale a 1 milionésimo de 1 bilionésimo de segundo - veja Batido recorde mundial do menor tempo já medido.

O que os cientistas fizeram foi desenvolver um método para capturar imagens em sequência com um intervalo de meros 50 femtossegundos.

Embora já fosse possível capturar uma única imagem com um tempo de exposição na faixa dos femtossegundos, usando um pulso ultra-curto de luz, nunca havia sido possível capturar uma sequência de imagens em sucessão tão rápida.

Isso porque o sensor que captura a imagem não tem o tempo necessário para repassar a informação da primeira imagem e dar um refresh a tempo de capturar a próxima.

E não se trata de esperar por sensores melhores: qualquer tentativa para dar um refresh, ou mesmo de trocar os sensores, levaria tempo demais, mesmo que isso pudesse ser feito à velocidade da luz.

Filme mais rápido do mundo é registrado em hologramas
Em cima está a parte central do holograma duplo, contendo as imagens que se superpõem no detector. Embaixo, as imagens já decompostas, mostrando uma miniatura do Portão de Brandemburgo. [Imagem: HZB/Eisebitt]

Holograma duplo

Os pesquisadores alemães abordaram o problema usando um poderoso laser de raios X e descobriram uma forma elegante de desembaralhar a informação superposta no detector pelas imagens capturadas em sequência.

Eles codificaram as duas imagens que se superpõem em um único holograma de raios X.

Embora elegante, a técnica não é simples, e são necessárias várias etapas para obter a sequência final das imagens.

Primeiro, os cientistas dividem o feixe de laser de raios X em dois feixes separados. Usando múltiplos espelhos, eles forçam um feixe a fazer um pequeno desvio, o que faz com que os dois pulsos alcancem o objeto em momentos ligeiramente diferentes - mais especificamente, um feixe chega 0,00000000000005 segundo depois do outro.

Graças a um arranjo geométrico específico da amostra, os pulsos geram um "holograma duplo". Este holograma codifica a estrutura do objeto nas duas vezes em que os pulsos de raios-X o atingem.

Usando um procedimento de reconstrução matemática, os pesquisadores podem simplesmente associar as imagens com os respectivos pulsos de raios X e, assim, determinar a sequência das imagens na ordem temporal correta.

Tempo real

O comprimento de onda dos raios-X utilizados, extremamente curto, permite revelar detalhes muito pequenos das amostras visualizadas, uma vez que, quanto menor o comprimento de onda de luz que você usa, menor serão os objetos que você poderá discernir.

"O objetivo de longo prazo é ser capaz de acompanhar os movimentos de moléculas e nanoestruturas em tempo real," diz o Dr. Eisebitt.

Bibliografia:

Sequential femtosecond X-ray imaging
C. M. Günther, B. Pfau, R. Mitzner, B. Siemer, S. Roling, H. Zacharias, O. Kutz, I. Rudolph, D. Schondelmaier, R. Treusch, S. Eisebitt
Nature Photonics
09 January 2011
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nphoton.2010.287




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