Världens snabbaste filmkamera – ljuset står nästan stilla
Glöm höghastighetskameror med 100 000 bilder i sekunden. En grupp forskare i förbränningsfysik vid LTH, Lunds universitet har skapat en kamera som kan filma med en hastighet motsvarande fem biljoner bilder i sekunden, eller händelser så korta som 0,2 biljondels sekund – snabbare än vad som hittills varit möjligt.
Glöm höghastighetskameror med 100 000 bilder i sekunden. En grupp forskare i förbränningsfysik vid LTH, Lunds universitet har skapat en kamera som kan filma med en hastighet motsvarande fem biljoner bilder i sekunden, eller händelser så korta som 0,2 biljondels sekund – snabbare än vad som hittills varit möjligt.
Med en ny supersnabb filmkamera blir det möjligt att fånga otroligt snabba förlopp inom kemi, fysik, biologi och biomedicin på ett sätt som tidigare inte varit möjligt. Detta kan leda till nya insikter och kunskaper.
För att illustrera tekniken har forskarna lyckats filma hur ljus – en samling fotoner – färdas en sträcka motsvarande tjockleken av ett papper. I verkligheten utspelar sig händelsen enbart på en pikosekund, men har saktats ner en biljon gånger.
Kameratekniken har utvecklats av Elias Kristensson och Andreas Ehn, forskare vid avdelningen för Förbränningsfysik vid LTH, Lunds universitet som kallar sin filmkamera för FRAME – ”Frequency Recognition Algorithm for Multiple Exposures”.
I korthet går tekniken ut på att man belyser det man filmar, till exempel en kemisk reaktion, med laserblixtar där varje ljuspuls ges en unik kodning. Objektet reflekterar ljusblixtarna som smälter samman i ett fotografi för att sedan separeras med hjälp av en krypteringsnyckel i datorn.
Insyn i extremt snabba förlopp
Filmkameran är i första skedet tänkt att användas av forskare som bokstavligen vill få bättre insyn i många av de extremt snabba förlopp som sker i naturen. Många processer i naturen sker på piko- och femtosekundsskalan, vilket är ofattbart snabbt – antalet femtosekunder i en sekund är betydligt fler än antal sekunder i en människas livslängd.
– Det gäller inte alla förlopp i naturen, men ganska många, exempelvis explosioner, plasmablixtar, turbulent förbränning, hjärnaktivitet hos djur och kemiska reaktioner. Vi kan nu filma sådana extremt korta förlopp, säger Elias Kristensson. På sikt kan tekniken också användas av bland annat industrin.
För forskarna själva är dock den allra största förtjänsten med tekniken inte är att de slagit ett hastighetsrekord, ”även om det så klart är fantastiskt roligt”, utan att de nu kan filma hur specifika ämnen förändras under ett och samma förlopp:
– Det enda sättet att idag visualisera så här snabba förlopp är att fotografera enstaka stillbilder av processen. Sedan får man försöka upprepa identiska experiment för att i efterhand klippa ihop flera stillbilder till en film. Problemet med detta tillvägagångssätt är att det är högst osannolikt att ett förlopp utspelar sig identiskt om man försöker upprepa experimentet, säger han.
– Nu kan vi nu se vad som faktisk händer!
Till vardags forskar Elias Kristensson och Andreas Ehn på förbränning – en erkänt svår och komplicerad miljö att studera. Det yttersta syftet med denna grundforskning är att göra nästa generations bilmotorer, gasturbiner och pannor renare och bränslesnålare. Förbränningen styrs av ett antal extremsnabba processer på molekylnivå, som nu kan fångas på film. Exempelvis kommer de studera kemin kring plasmaurladdningar, livstiden på kvanttillstånd i förbränningsmiljöer och i biologisk vävnad samt hur kemiska reaktioner initieras. Till hösten finns mer filmat material.
Sandia National Laboratorium i Kalifornien vill samarbeta med forskarna kring den nya tekniken.
För vem? Kameran blir i första skedet ett nytt verktyg för forskare som är intresserade av att studera snabba händelser. Ett tyskt företag har redan skapat en prototyp av tekniken, vilket gör att den inom uppskattningsvis två år kan användas av fler.
I en vanlig kamera med blixt används vanligt ljus. Här använder forskarna sig av “kodade” ljusblixtar, där koden fungerar som en slags kryptering. Varje gång en kodad ljusblixt träffar objektet – det kan vara en kemisk reaktion i en brinnande flamma – så skickar objektet ut en bildsignal (gensvar) med exakt samma kodning. Efterföljande ljusblixtar har alla olika koder och man fotograferar in alla bildsignaler i ett enda fotografi. Dessa kodade bildsignaler separeras sedan med hjälp av rätt krypteringsnyckel i datorn. Forskarna kallar tekniken FRAME – Frequency Recognition Algorithm for Multiple Exposures.
Artikel i Light: Science and Application: FRAME: femtosecond videography for atomic and molecular dynamics
Kontakt: Elias Kristensson Forskare Förbränningsfysik, +46 46 222 47 56, +46 73 369 78 02, elias.kristensson@forbrf.lth.se eller Andreas Ehn Forskare Förbränningsfysik +46 46 222 39 28, andreas.ehn@forbrf.lth.se
