فیلمبرداری از نامرئی‌ها با ریزبینی چهار‌بعدی

در یک دهه گذشته تحقیقات زیادی در دانشگاه‌های دنیا از جمله انستیتو فناوری کالیفرنیا انجام شده است که نتیجه آنها چیزی نیست جز ابداع شیوه نوینی از تصویربرداری. در این شیوه حرکاتی که در ابعاد اتمی یا در بازه‌های زمانی بسیار کوچک، مثلا در یک فمتو ثانیه (یک میلیون میلیاردیم ثانیه) روی می‌دهد، بخوبی نمایش داده می‌شود. از آنجاکه این تکنیک نوین، تصویربرداری در فضا و زمان را امکان‌پذیر کرده و در عین حال مبتنی بر استفاده از میکروسکوپ حساس الکترونی است، می‌توان به آن عنوان ریزبینی الکترونی چهاربعدی را داد. محققان از این فناوری نوین برای به تصویر کشیدن پدیده‌هایی نظیر لرزش ساختارهایی به باریکی تنها چند میلیاردیم متر، حرکت صفحات اتم‌های کربن و حتی تغییر حالت مواد از یک حالت به حالت دیگر استفاده می‌کنند. شاید اوج این هنرنمایی فناورانه را بتوان در به تصویر کشیدن پروتئین‌ها و سلول‌ها عنوان کرد.

محققان امیدهای زیادی به ریزبینی الکترونی چهاربعدی دارند تا با استفاده از آن به جواب پرسش‌های مهمی از علم مواد گرفته تا زیست شناسی دست یابند. از جمله این پرسش‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: چگونه می‌توان به درک درستی از رفتار مواد از ابعاد اتمی تا مقیاس‌های کلان دست یافت؟ نحوه کار ماشین‌های نانویی یا میکروسکوپیکی چگونه است؟ چگونه پروتئین‌ها یا مولکول‌های زیستی سرهم شده به ساختارهای بزرگ‌تر تبدیل می‌شوند؟ این فرآیندی بسیار حیاتی در عملکرد تمامی سلول‌های زنده است. ریزبینی چهاربعدی می‌تواند رازهای بسیاری درخصوص ساختارهای نانویی و نحوه شکل‌گیری آنها را مشخص کند. گذشته از این قابلیت‌ها می‌توان از این فناوری کاربردی برای دنبال کردن حرکت الکترون‌ها در اتم‌ها یا مولکول‌ها در بازه‌های زمانی بسیار ناچیز استفاده کرد. همراه با پیشرفت‌هایی که در علوم پایه صورت گرفته است، چنین کاربردهای گسترده‌ای نیز همواره مورد توجه بوده‌اند. بدون شک در این میان مواردی نظیر طراحی نانوماشین‌ها و نسل جدید داروها بیش از همه در کانون توجه دانشمندان قرار می‌گیرند.

اگرچه ریزبینی 4 بعدی تکنیکی نوین به شمار می‌آید ـ که مبنای کار آن بر لیزرهای فوق مدرن و مفاهیم مختلف فیزیک کوانتومی است ـ اما بسیاری از اصول آن را می‌توان به وسیله درک اولیه تصویربرداری غیرپویا متوجه شد که دانشمندان در دهه 90 قرن 19 ارائه کردند. اسین ژولز ماری، محقق شناخته شده‌ای در فرانسه بود که حرکات سریع ذرات را مورد مطالعه قرار می‌داد. او در خلال تحقیقات خود به نحوه قرار گرفتن گربه‌ها روی پاها و دست‌هایشان پس از سقوط از ارتفاع نیز توجه ویژه‌ای داشت.

وی این پرسش مهم را مطرح می‌کرد که گربه‌ها چگونه تنها با دست و پا زدن در هوا و بازی با جریان هوا می‌توانند به این راحتی روی پاها و دستان خود فرود بیایند و این درحالی است که قوانین حرکتی ارائه شده از سوی نیوتن نیز نقض نمی‌شود؟ تمام تلاش گربه هنگام برای قرار گرفتن روی دست و پاهایش تنها در کمتر از یک ثانیه روی می‌دهد و این زمانی است که انسان بدون استفاده از تجهیزات کمکی نمی‌تواند همه آنچه را که روی داده است به دقت بررسی کند. آنچه که بیش از هر چیز جالب توجه به نظر می‌رسد، الگوبرداری دانشمندان از حرکات گربه در کمک به فضانوردان برای چرخاندن بدن و دست و پا زدن در محیط بدون جاذبه است. حتی اجراکنندگان حرکات نمایشی و آکروباتیک نیز از اصولی که گربه‌ها به طور غریزی پیروی می‌کنند استفاده می‌کنند، تا بهترین نمایش را ارائه بدهند.

شیوه دیگر تصویربرداری استروبوسکوپی است که مبنای کار آن استفاده از فلش‌های نوری برای به تصویرکشیدن رویدادهایی است که در بازه‌های زمانی روی می‌دهند تا دیافراگم‌های مکانیکی قادر به ثبت آن باشند. این فلش‌های نوری مشاهده جسم را برای چشمان ناظر یا ثبت آن برای صفحات مخصوص عکسبرداری ممکن می‌سازند. منشأ این ابتکار عمل به قرن بیستم و هارولد اگرتون برمی‌گردد.

وی که در آن زمان در دانشگاه MIT مشغول به تحقیق و مطالعه بود، فناوری تصویربرداری استروبوسکوپی را با استفاده از تجهیزات الکترونیکی ویژه‌ای که قابلیت تولید متناوب فلش‌های نوری دارند ارائه نمود. برای آن‌که بتوان حرکات اعجاب‌آور گربه در حال سقوط را به تصویر کشید به فلش‌های استروبوسکوپی نیاز است که به اندازه کافی کوتاه باشند تا بتوان به رغم سرعت بالای حیوان، هنرنمایی آن در کش و قوس دادن به بدنش را ثبت کرد.

تصور کنید گربه تنها پس از نیم ثانیه از رها شدنش در هوا بدن خود را به حالت مناسبی برای فرود روی زمین درآورد. در چنین وضعیتی گربه با سرعتی درحدود 5 متر بر ثانیه سقوط می‌کند.

بنابراین با استفاده از فلش‌های نوری یک میلی ثانیه‌ای مطمئن می‌شویم که گربه در هر بار نوردهی(استفاده از فلش‌های نوری) بیش از 5 میلی‌متر به زمین نزدیک نمی‌شود که در نتیجه تصویر گربه محو به نظر می‌رسد. برای این‌که این حرکت آکروباتیکی در 10 تصویر لحظه‌ای ثبت شود، تصاویر مورد نظر باید هر 50 میلی ثانیه یک بار گرفته شوند.

اگر بخواهیم به جای حرکات آکروباتیک گربه در هوا، رفتار مولکولی را مورد مشاهده قرار دهیم، در آن صورت فلش‌های نوری استروبوسکوپی مورد نظر تا چه حد باید سریع باشند؟ تغییرات زیادی در ساختارهای مولکولی روی می‌دهد که از جمله آنها حرکت اتم‌ها به اندازه چند آنگستروم است. (یک آنگستروم معادل 10 به توان منهای 10 متر است.)

برای دست یافتن به چنین هدفی به ضریب تفکیکی کمتر از یک آنگستروم نیاز است. معمولا در دنیای اتمی، اتم‌ها با سرعت یک کیلومتر بر ثانیه در حال جنبش هستند که به این ترتیب به فلش‌های استروبوسکوپی که بیش از 10 فمتوثانیه طول عمر نداشته باشند، نیاز است تا بتوان به خوبی آنها را مورد مشاهده و تجزیه و تحلیل قرار داد.

تا پیش از این، محققان موفق شده‌اند با استفاده از الکترون‌های شتابان، تصاویری را در ابعاد اتمی تولید کنند ـ که نمونه بارز آن را در میکروسکوپ‌های اتمی دیده‌ایم ـ با این حال، این کار تنها زمانی صورت می‌گیرد که اهداف مورد نظر در جایی ثابت مانده و تصویربرداری در بازه‌های زمانی میلی ثانیه‌ای یا طولانی‌تر صورت گیرد که همواره تحت‌الشعاع محدودیت‌های موجود در دوربین‌های تصویربرداری قرار داشته است.

فیلم‌هایی که در ابعاد اتمی گرفته می‌شود به تفکیک‌پذیری سه بعدی یک میکروسکوپ الکترونی نیاز دارند با این تفاوت که پالس‌های الکترونی فمتوثانیه جای میلی ثانیه را می‌گیرند. در نهایت اهداف مورد نظری که برای تصویربرداری در نظر گرفته شده‌اند به لطف همین پالس‌ها، درخشان می‌شوند. محققان دسته‌های درخشان الکترون‌ها را پالس‌های جستجو می‌نامند. به این ترتیب می‌توان به تصاویر شفاف و مناسبی از اهداف مورد نظر
دست یافت.

مهدی کیا

منبع: Scientific American