Seorang peneliti dari Caltech telah menciptakan kamera yang sangat inovatif, mampu menangkap hingga 1 triliun frame per detik—kecepatan yang cukup untuk mengungkap cara kerja objek transparan yang sebelumnya dianggap mustahil untuk diambil gambarnya. Penemuan ini menciptakan gelombang kehebohan di kalangan ilmuwan dan peneliti.

Lebih dari setahun yang lalu, kamera baru memukau dunia dengan kemampuannya untuk mengambil 10 triliun frame per detik. Kecepatan luar biasa ini memungkinkan pengamatan pergerakan cahaya dalam gerakan lambat. Namun, meskipun teknologinya sangat cepat, kamera tersebut memiliki batasan—ia tidak dapat merekam objek yang tidak terlihat.

Tantangan inilah yang mendorong inovasi baru. Lihong Wang, seorang insinyur terkemuka dari Caltech, telah membangun kamera baru yang mengalihkan fokus dari kecepatan murni menjadi transparansi. Model terbaru ini, yang dijelaskan dalam jurnal Science Advances, dapat mengambil hingga 1 triliun gambar per detik. Yang lebih penting, kamera ini dapat memotret apa yang sebelumnya hampir tidak mungkin terlihat—bahan-bahan bening seperti kaca dan air.

Penemuan ini dinamakan phase-sensitive compressed ultrafast photography (pCUP), yang mampu menangkap aktivitas sangat cepat dalam zat yang transparan. Ini termasuk gelombang kejut, dan mungkin bahkan sinyal yang bergerak cepat dalam otak. Teknologi ini memadukan kecepatan mutakhir dengan teknik klasik yang pertama kali dikembangkan seratus tahun yang lalu.

Teknik lama tersebut dikenal sebagai mikroskopi fase-kontras. Diciptakan oleh fisikawan Belanda, Frits Zernike, metode ini bergantung pada cara cahaya mengubah kecepatan. Ketika cahaya melewati sesuatu seperti kaca, ia melambat, kemudian mempercepat lagi setelah keluar. Perubahan waktu ini secara halus mengubah gelombang cahaya.

Secara normal, perubahan ini tidak terlihat. Namun, dengan penyesuaian optik yang tepat, para ilmuwan dapat membuat perubahan tersebut menonjol. Hasilnya adalah gambar yang tajam dari sesuatu yang seharusnya tidak dapat dilihat oleh mata kita.

Wang dan timnya membawa konsep ini ke era ultrafast. “Apa yang kami lakukan adalah menyesuaikan mikroskopi fase-kontras standar sehingga dapat memberikan pencitraan yang sangat cepat, memungkinkan kami untuk memvisualisasikan fenomena ultracepat dalam bahan transparan,” ungkapnya.

Di jantung sistem ini terletak teknologi yang disebut lossless encoding compressed ultrafast photography (LLE-CUP). Teknologi ini mengambil jalur yang berbeda dibandingkan dengan sebagian besar alat video ultrafast, yang memerlukan pengambilan gambar berulang dari peristiwa yang sama.

Sebaliknya, LLE-CUP menangkap segala sesuatu dalam satu pengambilan gambar. Tidak perlu mengulang aksi. Inilah yang membuatnya ideal untuk merekam peristiwa yang terlalu cepat untuk dipentaskan kembali—seperti gelombang kejut yang bergerak melalui kaca atau ledakan energi di dalam neuron.

Metode pengambilan gambar sekali ini sangat penting karena dapat menangkap gerakan yang sangat cepat, seperti denyutan cahaya, yang akan terlewatkan oleh kamera konvensional karena kecepatan pengambilan gambarnya yang lebih lambat.

Dalam penelitian mereka, Wang dan timnya menunjukkan kekuatan pCUP dengan menangkap penyebaran gelombang kejut dalam air dan perjalanan pulsa laser melalui material kristalin. Contoh-contoh ini menekankan potensi pCUP untuk memvisualisasikan proses yang sebaliknya tidak terlihat.

Meskipun masih dalam tahap awal, pCUP memiliki janji dalam berbagai bidang ilmu pengetahuan, termasuk fisika, biologi, dan kimia. Wang membayangkan penerapannya dalam ilmu saraf, khususnya dalam mengamati sedikit perluasan serat saraf saat sinyal melewati mereka.

“Jika kami memiliki jaringan neuron, mungkin kami dapat melihat komunikasi mereka secara real time,” katanya. Teknologi ini juga dapat memvisualisasikan bagaimana front nyala api menyebar dalam ruang bakar, mengingat perubahan fase kontras terjadi seiring dengan suhu.

Pengenalan pCUP ke dalam bidang ilmu pengetahuan membawa banyak aplikasi praktis di berbagai disiplin ilmu dan industri:

Pencitraan Biomedis: Memungkinkan untuk menangkap proses cepat dalam sel yang hidup, seperti pelipatan protein, interaksi molekuler, dan sinyal di dalam sel, memberikan wawasan ke dalam mekanisme biologis dasar.

Reaksi Kimia: Memungkinkan pengamatan reaksi kimia ultracepat dan keadaan antara, yang penting untuk mengembangkan katalis baru dan memahami mekanisme reaksi.

Ilmu Material: Memungkinkan observasi transisi fase cepat dalam material, memberikan wawasan ke dalam pengembangan material canggih dengan sifat yang disesuaikan untuk elektronik, fotonik, dan penyimpanan energi.

Optika dan Fotonik: Memungkinkan untuk menangkap dinamika denyutan laser dan interaksi dengan materi, berguna untuk mengoptimalkan sistem laser dalam komunikasi, manufaktur, dan aplikasi medis.

Dinamika Fluida: Memungkinkan visualisasi fenomena dinamis cepat dalam fluida, seperti turbulensi dan gelombang kejut, yang meningkatkan pemahaman tentang sistem aerodinamik dan hidrodinamik.

Keamanan dan Pertahanan: Dapat menangkap peristiwa cepat yang terlibat dalam ledakan, membantu dalam pengembangan langkah perlindungan yang lebih baik dan analisis forensik dari peristiwa ledakan.

Makalah revolusioner yang berjudul “Pencitraan fase-sensitif dengan resolusi pikodetik objek transparan dalam satu pengambilan” mencantumkan rekan penulis Taewoo Kim, seorang peneliti pascadoktoral dalam teknik medis, dan mantan peneliti Caltech Jinyang Liang serta Liren Zhu. Penelitian ini didukung oleh National Institutes of Health.

Hubungan Wang dengan Tianqiao dan Chrissy Chen Institute for Neuroscience di Caltech menegaskan komitmennya untuk memajukan pemahaman kita tentang otak.

Dengan berlanjutnya pengembangan pCUP, kemampuannya untuk mengungkap yang tidak terlihat dapat membuka jalan bagi penemuan ilmiah baru dan aplikasi, menjadikan yang tak terlihat menjadi terlihat.