Учените трябва да правят все по-сложни измервания, тъй като технологията се свива до наномащаба и ние сме изправени пред глобални предизвикателства от последиците от изменението на климата.
Тъй като промишлеността работи все повече и повече в нанометровата скала (един нанометър е една милиардна част от метъра), има нужда да измерваме по-надеждно и точно неща, които едва виждаме. Това изисква метрология, науката за измерването.
Наномащабната метрология е полезна в ежедневието, например за измерване на дози лекарства или при разработването на компютърни чипове за нашите цифрови устройства.
„Метрологията е необходима навсякъде, където правите измервания или ако искате да сравните измервания“, каза Вирпи Корпелайнен, старши учен в Центъра за технически изследвания на Финландия и Националния институт по метрология в Еспоо, Финландия.
От най-ранните цивилизации стандартизираните и последователни измервания винаги са били решаващи за гладкото функциониране на обществото. В древни времена са били използвани физически величини като измерване на тялото.
Една от най-ранните известни единици е лакътят, който е приблизително с дължината на предмишницата. Римляните са използвали пръсти и крака в своите системи за измерване, докато историята разказва, че Хенри I от Англия (около 1068 до 1135 г.) се е опитал да стандартизира ярд като разстоянието от носа до палеца.
Стандартни единици
Стандартизацията изисква точни определения и последователни измервания. В интерес на по-голяма точност през 1790 г. френската правителствена комисия стандартизира метъра като основна единица за разстояние. Това постави Европа по пътя към стандартизираната международна система за базови единици (SI), която се развива оттогава.
От 2018 г. някои ключови дефиниции на мерните единици бяха предефинирани. Килограмът, амперът, келвинът и молът сега се основават на фундаментални константи в природата, вместо на физически модели. Това е така, защото с течение на времето физическите модели се променят, както се случи с модела на килограма, който загуби малко количество маса в продължение на 100 години след създаването си. С този нов подход, който беше възприет след години на внимателна наука, определенията няма да се променят.
Тази еволюция често се движи от невероятно сложна наука, позната само на метролозите, като скоростта на светлината във вакуум (метър), скоростта на радиоактивен разпад (време) или константата на Планк (килограм), всички от които се използват за калибриране на ключови мерни единици съгласно SI.
„Когато купувате измервателен уред, хората обикновено не мислят откъде идва мащабът“, каза Корпелайнен. Това важи и за учени и инженери.
Веднъж царството на изследователите, наномащабите стават все по-важни в индустрията. Нанотехнологиите, компютърните чипове и лекарствата обикновено разчитат на много точни измервания в много малки мащаби.
Дори най-модерните микроскопи трябва да бъдат калибрирани, което означава, че трябва да се предприемат стъпки за стандартизиране на измерванията на много малките. Korpelainen и колеги от цяла Европа разработват подобрени микроскопи за атомна сила (AFM) в текущия проект, наречен MetExSPM.
AFM е вид микроскоп, който се приближава толкова близо до проба, че почти може да разкрие нейните отделни атоми. „В индустрията хората се нуждаят от проследими измервания за контрол на качеството и за закупуване на компоненти от подизпълнители“, каза Корпелайнен.
Проектът ще позволи на AFM микроскопите да извършват надеждни измервания при наномащабна разделителна способност чрез използване на високоскоростно сканиране, дори на сравнително големи проби.
„Промишлеността се нуждае от AFM резолюция, ако иска да измерва разстоянията между наистина малки структури“, каза Корпелайнен. Изследванията на АСМ разкриха, че грешките в измерването се въвеждат лесно в този мащаб и могат да достигнат до 30%.
Търсенето на малки, сложни, високопроизводителни устройства означава, че наномащабът става все по-важен. Тя използва AFM микроскоп и лазери, за да калибрира прецизни скали за други микроскопи.
Тя също така координира друг проект, 3DNano, за измерване на наномащабни 3D обекти, които не винаги са идеално симетрични. Прецизните измервания на такива обекти подкрепят развитието на нови технологии в медицината, съхранението на енергия и изследването на космоса.
Радонов поток
д-р Анет Рьотгер, ядрен физик в PTB, националния институт по метрология в Германия, се интересува от измерване на радон, радиоактивен газ без цвят, мирис или вкус.
Радонът се среща в природата. Произхожда от разпадащ се под земята уран. Като цяло газът изтича в атмосферата и е безвреден, но може да достигне опасни нива, когато се натрупа в жилища, потенциално причинявайки заболяване на жителите.
Но има и друга причина Röttger да се интересува от измерване на радон. Тя вярва, че може да подобри измерването на важни парникови газове (ПГ).
„За метана и въглеродния диоксид можете да измерите количествата в атмосферата много точно, но не можете да измерите потока на тези газове, излизащи от земята, представително“, каза Рьотгер.
Потокът е скоростта на просмукване на газ. Полезно е измерването да се проследят количествата други парникови газове като метан, които също се просмукват от земята. Измерванията на метана, излизащ от земята, са променливи, така че едно място ще се различава от друго на няколко стъпки. Потокът от газ радон от земята проследява отблизо потока на метан, вреден парников газ с естествен и човешки произход.
Когато емисиите на газ радон от земята се увеличават, нивата на въглероден диоксид и метан също се увеличават. "Радонът е по-хомогенен", каза Рьотгер, "и има тясна връзка между радона и тези парникови газове." Изследователският проект за изследването му се нарича traceRadon.
Радонът се измерва чрез неговата радиоактивност, но поради ниските си концентрации е много трудно да се измери. „Няколко устройства изобщо няма да работят, така че ще получите стойност на нулево отчитане, защото сте под границата на откриване“, каза Рьотгер.
Повторно навлажняване на влажни зони
Измерването на отделянето на радон позволява на учените да моделират скоростта на емисиите върху даден пейзаж. Това може да бъде полезно за измерване на ефектите от мерките за смекчаване на климата. Например, изследванията показват, че бързото повторно навлажняване на пресушени торфища съхранява парникови газове и смекчава изменението на климата.
Но ако си направите труда да навлажните отново голяма блатиста местност, „ще искате да знаете дали това е проработило“, каза Рьотгер. "Ако работи за тези парникови газове, тогава трябва да видим и по-малко радон. Ако не работим, тогава не е работило."
С по-прецизно калибриране проектът ще подобри измерванията на радон в големи географски области. Това може да се използва и за подобряване на системите за ранно радиологично предупреждение в европейска мрежа за мониторинг, наречена Европейска платформа за обмен на радиологични данни (EURDEP).
„Имаме много фалшиви аларми (поради радон) и може дори да пропуснем аларма поради това“, каза Рьотгер. „Можем да направим тази мрежа по-добра, което е все по-важно за подкрепата за управление на радиологични извънредни ситуации от метрологията.“
Като се има предвид интензивността на климатичната криза, е изключително важно да се представят надеждни данни за политиците, добави Рьотгер. Това ще помогне значително за справяне с изменението на климата, може би най-голямата заплаха, пред която е изправено човечеството, откакто лакътът е използван за първи път като мярка в древен Египет преди повече от 3000 години.
Разгледайте още
Преоценка на радона като надежден индикатор за подземни водиПредоставено от Horizon: The EU Research & Цитиране на списание Innovation: Малките неща правят голяма разлика в науката за измерване (2022 г., 19 май), извлечено на 19 май 2022 г. от https://phys.org/news/2022-05-small- big-difference-science.htmlТози документ е обект на авторско право. Освен всякакво честно отношение за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието се предоставя само за информационни цели.
