Βιντεοσκόπηση του απειροελάχιστου

ΕΤΡΑΔΙΑΣΤΑΤΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ
Χωρίς βοηθήματα, το ανθρώπινο μάτι δεν μπορεί να διακρίνει αντικείμενα που είναι πολύ λεπτότερα από μια τρίχα (κλάσματα του χιλιοστού) ή να αντιληφθεί κινήσεις που γίνονται πιο γρήγορα απ' όσο διαρκεί ένα βλεφάρισμα (ένα δέκατο του δευτερολέπτου). Οι πρόοδοι στην οπτική και τη μικροσκοπία την τελευταία χιλιετία, μας έχουν επιτρέψει φυσικά να δούμε πολύ πέρα από τα όρια που θέτει ο γυμνός οφθαλμός, να παρατηρήσουμε εξαιρετικές εικόνες όπως η μικρογραφία ενός ιού ή η στροβοσκοπική φωτογραφία μιας σφαίρας που τραβήχτηκε το μικροδευτερόλεπτο που χτυπά και κομματιάζει ένα λαμπτήρα. Αν, όμως, μας έδειχναν μια ταινία που δείχνει άτομα να κινούνται, τουλάχιστον μέχρι πρόσφατα, θα θεωρούσαμε ότι παρακολουθούμε κινούμενα σχέδια, την απόδοση του φαινομένου από κάποιον καλλιτέχνη ή κάποιου είδους προσομοίωση...

Την τελευταία δεκαετία αναπτύχθηκε μια νέα μορφή απεικόνισης, που αποκαλύπτει κινήσεις που συμβαίνουν στη μικροσκοπική κλίμακα των ατόμων και σε χρονικά διαστήματα τόσο μικρά όσο ένα τετράκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου (femtosecond).

Επειδή η τεχνική αυτή επιτρέπει την απεικόνιση τόσο στο χώρο, όσο και στο

χρόνο, αξιοποιώντας το καθιερωμένο εδώ και πολλές δεκαετίες ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, η ερευνητική ομάδα του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια που την ανέπτυξε την ονόμασε τετραδιάστατη ηλεκτρονική μικροσκοπία.

Μέχρι τώρα έχει αξιοποιηθεί για την απεικόνιση φαινομένων όπως η ταλάντωση πρόβολων μήκους μερικών δισεκατομμυριοστών του μέτρου, η κίνηση των ατόμων άνθρακα σε φύλλα γραφίτη που πάλλονται σαν μεμβράνη τυμπάνου όταν «χτυπηθούν» από έναν παλμό λέιζερ και η μετάβαση από τη μία κατάσταση της ύλης στην άλλη (πήξη, τήξη κ.τ.λ.). Εχει χρησιμοποιηθεί ακόμα για την απεικόνιση μεμονωμένων μορίων πρωτεϊνών και κυττάρων.
Κατά τη φωτογράφιση ενός βακτηρίου E. coli ένας παλμός διάρκειας ενός τετράκις εκατομμυριοστού του δευτερολέπτου προκαλεί ένα εφήμερο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο στην κυτταρική μεμβράνη. Συλλέγοντας μόνο τα ηλεκτρόνια που κέρδισαν ενέργεια από αυτό το πεδίο, η τεχνική της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας εγγύς πεδίου προκαλούμενου από διέγερση με φωτόνια, παράγει εικόνες υψηλής ανάλυσης (και αντίθεσης) των αόρατων στο γυμνό μάτι μικροβίων
Αν και πρόκειται για υπερσύγχρονη τεχνική, που στηρίζεται σε εξεζητημένα λέιζερ και έννοιες της κβαντομηχανικής, πολλές από τις αρχές της τετραδιάστατης μικροσκοπίας μπορούν να κατανοηθούν, μελετώντας τις παραδοσιακές τεχνικές στοπ καρέ φωτογράφισης που χρησιμοποιούσαν ήδη από τα τέλη του 19ου αιώνα οι επιστήμονες, για να απεικονίσουν γρήγορα εξελισσόμενα φαινόμενα, όπως η επαναφορά του σώματος μιας γάτας που πέφτει ανάποδα, ώστε τελικά να προσγειωθεί με τα πόδια. Το ίδιο βοηθά και η κατανόηση της στροβοσκοπικής φωτογράφισης, που με διαδοχικά φλας καταγράφει εικόνες που απεικονίζουν την κίνηση του αντικειμένου σε διαδοχικά μικρά χρονικά διαστήματα. Αν όμως για την κατανόηση των κινήσεων της γάτας που πέφτει χρειάζονται φωτογραφίες με χρονική διαφορά 50 χιλιοστών του δευτερολέπτου, για την παρακολούθηση της κίνησης ενός μορίου είναι απαραίτητα τα καρέ με διαφορά μερικών δισεκατομμυριοστών του εκατομμυριοστού του δευτερολέπτου.

Η τετραδιάστατη μικροσκοπία υπόσχεται να δώσει απαντήσεις σε επιστημονικά πεδία, που εκτείνονται από την επιστήμη των υλικών μέχρι τη βιολογία. Να επιτρέψει τη βαθύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς της ύλης από την κλίμακα των ατόμων, ως τη μακροσκοπική κλίμακα. Να βοηθήσει στην ανάπτυξη και βελτίωση νανομηχανών (στην κλίμακα δισεκατομμυριοστού του μέτρου) και μικρομηχανών (στην κλίμακα εκατομμυριοστού του μέτρου). Να καταγράψει πώς οι πρωτεΐνες ή οι ομάδες βιολογικών μορίων διπλώνονται και οργανώνονται σε μεγαλύτερες δομές, διαδικασία κρίσιμη για κάθε ζωντανό κύτταρο. Η τετραδιάστατη μικροσκοπία θα μπορούσε να αποκαλύψει τη διάταξη των ατόμων σε δομές νανοκλίμακας (που προσδιορίζει τις ιδιότητες των νέων νανοϋλικών) και ίσως στο μέλλον να καταγράψει τη διαδρομή των ηλεκτρονίων σε μεμονωμένα άτομα και σε άτομα χημικών ενώσεων στην κλίμακα των πεντάκις εκατομμυριοστών του δευτερολέπτου (attoseconds). Ολες αυτές οι χρήσεις μπορούν να συμβάλουν σημαντικά στη βασική έρευνα, αλλά και να οδηγήσουν σε εφαρμογές στη σχεδίαση νανομηχανών και νέων ειδών φαρμάκων.
Προσαρμόζοντας την τεχνική που αποκαλείται κρυοαπεικόνιση, οι ερευνητές χρησιμοποιούν την τετραδιάστατη μικροσκοπία για βιολογικές διεργασίες, όπως η δίπλωση των πρωτεϊνών. Για κάθε καρέ, ένας παλμός λέιζερ λιώνει τον πάγο γύρω από το δείγμα, κάνοντας την πρωτεΐνη να ξεδιπλωθεί μέσα στο θερμό νερό. Η ταινία καταγράφει το ξαναδίπλωμα της πρωτεΐνης καθώς το νερό παγώνει και πάλι. Για να μη βγουν «κουνημένες» οι φωτογραφίες, η πρωτεΐνη πρέπει να αγκιστρωθεί με κάποιον τρόπο στο υπόστρωμα

πηγη