Vědci musí provádět stále sofistikovanější měření, protože technologie se zmenšuje na nanoměřítko a my čelíme globálním výzvám vyplývajícím z dopadů změny klimatu.
S tím, jak průmysl stále více pracuje na nanometrovém měřítku (nanometr je miliardtina metru), je potřeba měřit spolehlivěji a přesněji věci, které sotva vidíme. To vyžaduje metrologii, vědu o měření.
Metrologie v nanoměřítku je užitečná v každodenním životě, například pro měření dávek léků nebo při vývoji počítačových čipů pro naše digitální zařízení.
"Metrologie je potřebná všude tam, kde provádíte měření nebo pokud chcete měření porovnávat," řekla Virpi Korpelainen, vedoucí vědecká pracovnice z Centra technického výzkumu Finska a Národního metrologického institutu ve finském Espoo.
Od nejstarších civilizací byla standardizovaná a konzistentní měření vždy zásadní pro hladké fungování společnosti. Ve starověku se používaly fyzikální veličiny, jako je měření těla.
Jednou z prvních známých jednotek byl loket, což byla přibližně délka předloktí. Římané používali prsty a nohy ve svých měřicích systémech, zatímco příběh vypráví, že Jindřich I. Anglický (cca 1068 až 1135) se pokusil standardizovat yard jako vzdálenost od nosu k palci.
Standardní jednotky
Standardizace vyžaduje přesné definice a konzistentní měření. V zájmu větší přesnosti francouzská vládní komise v 90. letech 18. století standardizovala metr jako základní jednotku vzdálenosti. Tím se Evropa vydala na cestu ke standardizovanému mezinárodnímu systému základních jednotek (SI), který se od té doby vyvíjí.
Od roku 2018 byly předefinovány některé klíčové definice měrných jednotek. Kilo, ampér, kelvin a krtek jsou nyní založeny na základních konstantách přírody namísto fyzikálních modelů. Je to proto, že v průběhu času se fyzické modely mění, jako tomu bylo u modelu kila, který ztratil nepatrné množství hmoty během 100 let po svém vytvoření. S tímto novým přístupem, který byl přijat po letech pečlivé vědy, se definice nezmění.
Tento vývoj je často poháněn neuvěřitelně sofistikovanou vědou, kterou znají pouze metrologové, jako je rychlost světla ve vakuu (metr), rychlost radioaktivního rozpadu (čas) nebo Planckova konstanta (kilogram), které se všechny používají ke kalibraci klíčových jednotek měření v rámci SI.
"Když si koupíte měřící přístroj, lidé obvykle nemyslí na to, odkud měřítko pochází," řekl Korpelainen. To platí i pro vědce a inženýry.
Jakmile se nanoměřítka stala říší výzkumných vědců, jsou v průmyslu stále důležitější. Nanotechnologie, počítačové čipy a léky se obvykle spoléhají na velmi přesná měření ve velmi malých měřítcích.
Dokonce i ty nejpokročilejší mikroskopy musí být kalibrovány, což znamená, že je třeba podniknout kroky ke standardizaci jejich měření velmi malých. Korpelainen a kolegové po celé Evropě vyvíjejí vylepšené mikroskopy atomové síly (AFM) v probíhajícím projektu nazvaném MetExSPM.
AFM je typ mikroskopu, který se dostane tak blízko ke vzorku, že dokáže téměř odhalit jeho jednotlivé atomy. "V průmyslu lidé potřebují sledovatelná měření pro kontrolu kvality a pro nákup komponent od subdodavatelů," řekl Korpelainen.
Projekt umožní mikroskopům AFM provádět spolehlivá měření v rozlišení nanometrů pomocí vysokorychlostního skenování, a to i na relativně velkých vzorcích.
"Průmysl potřebuje rozlišení AFM, pokud chce měřit vzdálenosti mezi opravdu malými strukturami," řekl Korpelainen. Výzkum AFM odhalil, že chyby měření se v tomto měřítku snadno zavádějí a mohou dosahovat až 30 %.
Poptávka po malých, sofistikovaných a vysoce výkonných zařízeních znamená, že význam nanoměřítek roste. Použila AFM mikroskop a lasery ke kalibraci přesných vah pro jiné mikroskopy.
Koordinovala také další projekt, 3DNano, s cílem měřit 3D objekty v nanoměřítku, které nejsou vždy dokonale symetrické. Přesná měření takových objektů podporují vývoj nových technologií v medicíně, skladování energie a průzkumu vesmíru.
Tok radonu
Dr. Annette Röttger, jaderná fyzička v PTB, národním metrologickém institutu v Německu, se zajímá o měření radonu, radioaktivního plynu bez barvy, vůně a chuti.
Radon se přirozeně vyskytuje. Pochází z rozkládajícího se uranu pod zemí. Obecně plyn uniká do atmosféry a je neškodný, ale může dosáhnout nebezpečných úrovní, když se hromadí v obydlích, což potenciálně způsobí onemocnění obyvatel.
Je tu ale ještě jeden důvod, proč se Röttger zajímá o měření radonu. Věří, že to může zlepšit měření důležitých skleníkových plynů (GHG).
"Pro metan a oxid uhličitý můžete měřit množství v atmosféře velmi přesně, ale nemůžete měřit tok těchto plynů vycházejících ze země," řekl Röttger.
Tok je rychlost prosakování plynu. Je to užitečné měření pro sledování množství dalších skleníkových plynů, jako je metan, které také prosakují ze země. Měření metanu vycházejícího ze země jsou variabilní, takže jedno místo se bude lišit od druhého o několik kroků dál. Tok radonu ze země těsně sleduje tok metanu, škodlivého skleníkového plynu jak přírodního, tak lidského původu.
Když se emise radonu ze země zvýší, zvýší se i hladina oxidu uhličitého a metanu. "Radon je homogennější," řekl Röttger, "a mezi radonem a těmito skleníkovými plyny existuje úzká korelace." Výzkumný projekt na jeho studium se nazývá traceRadon.
Radon se měří prostřednictvím jeho radioaktivity, ale kvůli jeho nízkým koncentracím je jeho měření velmi náročné. "Několik zařízení nebude vůbec fungovat, takže dostanete nulovou hodnotu, protože jste pod detekčním limitem," řekl Röttger.
Přemokření mokřadů
Měření úniku radonu umožňuje vědcům modelovat míru emisí v krajině. To může být užitečné pro měření účinků opatření na zmírnění klimatu. Výzkum například ukazuje, že rychlé zavlažování vysušených rašelinišť ukládá skleníkové plyny a zmírňuje změnu klimatu.
Pokud si ale dáte tu práci s přemokřením velké bažiny, "budete chtít vědět, jestli to fungovalo," řekl Röttger. "Pokud to funguje u těchto skleníkových plynů, pak bychom měli vidět i méně radonu, který vychází. Pokud ne, pak to nefungovalo."
S přesnější kalibrací projekt zlepší měření radonu ve velkých geografických oblastech. Toho lze také využít ke zlepšení radiologických systémů včasného varování v evropské monitorovací síti nazvané European Radiological Data Exchange Platform (EURDEP).
"Máme mnoho falešných poplachů (kvůli radonu) a kvůli tomu můžeme dokonce vynechat poplach," řekl Röttger. "Můžeme tuto síť vylepšit, což je stále důležitější pro podporu řízení radiačních mimořádných událostí ze strany metrologie."
Vzhledem k intenzitě klimatické krize je zásadní předkládat tvůrcům politik spolehlivá data, dodal Röttger. To výrazně pomůže při řešení změny klimatu, pravděpodobně největší hrozby, které lidstvo čelilo od doby, kdy byl loket poprvé použit jako měřítko ve starověkém Egyptě před více než 3000 lety.
Prozkoumejte dále
Přehodnocení radonu jako spolehlivého indikátoru podzemní vodyPoskytuje Horizon: The EU Research & Innovation Magazine Citace: Malé věci dělají velký rozdíl ve vědě měření (2022, 19. května) získané 19. května 2022 z https://phys.org/news/2022-05-small- big-difference-science.htmlTento dokument podléhá autorským právům. Kromě jakéhokoli poctivého jednání za účelem soukromého studia nebo výzkumu nesmí být žádná část reprodukována bez písemného souhlasu. Obsah je poskytován pouze pro informační účely.
