Tiedemiesten on tehtävä entistä kehittyneempiä mittauksia, kun teknologia kutistuu nanomittakaavaan ja kohtaamme globaaleja haasteita ilmastonmuutoksen vaikutuksista.
Koska teollisuus toimii yhä enemmän nanometrin asteikolla (nanometri on metrin miljardisosa), on tarpeen mitata luotettavammin ja tarkemmin asioita, joita tuskin näemme. Tämä vaatii metrologiaa, mittaustieteitä.
Nanomittakaavan mittakaavan metrologia on hyödyllinen jokapäiväisessä elämässä, esimerkiksi lääkeannosten mittaamisessa tai digitaalisten laitteiden tietokonesirujen kehittämisessä.
"Metrologiaa tarvitaan kaikkialla, missä tehdään mittauksia tai jos halutaan vertailla mittauksia", kertoo erikoistutkija Virpi Korpelainen Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen ja Espoon Metrologian instituutista.
Varhaisimmista sivilisaatioista lähtien standardoidut ja johdonmukaiset mittaukset ovat aina olleet ratkaisevan tärkeitä yhteiskunnan sujuvalle toiminnalle. Muinaisina aikoina käytettiin fyysisiä suureita, kuten kehon mittaa.
Yksi varhaisimmista tunnetuista yksiköistä oli kyynärä, joka oli suunnilleen kyynärvarren pituinen. Roomalaiset käyttivät sormia ja jalkoja mittausjärjestelmissään, kun taas tarina kertoo, että Englannin Henrik I (noin 1068-1135) yritti standardoida jaardin nenänsä ja peukalon väliseksi etäisyydeksi.
Vakioyksiköt
Standardointi vaatii tarkkoja määritelmiä ja johdonmukaisia mittauksia. Tarkkuuden lisäämiseksi Ranskan hallituksen komissio standardoi mittarin etäisyyden perusyksiköksi 1790-luvulla. Tämä sai Euroopan tielle standardoituun kansainväliseen perusyksikköjärjestelmään (SI), joka on kehittynyt siitä lähtien.
Vuodesta 2018 lähtien joitakin keskeisiä mittayksiköiden määritelmiä on määritelty uudelleen. Kilo, ampeeri, kelvin ja mooli perustuvat nyt luonnon perusvakioihin fyysisten mallien sijaan. Tämä johtuu siitä, että ajan myötä fyysiset mallit muuttuvat, kuten tapahtui kilon mallin kanssa, joka menetti pienen määrän massaa 100 vuoden aikana luomisen jälkeen. Tällä uudella lähestymistavalla, joka hyväksyttiin vuosien huolellisen tieteen jälkeen, määritelmät eivät muutu.
Tätä kehitystä ohjaa usein uskomattoman hienostunut tiede, joka on tuttu vain metrologeille, kuten valon nopeus tyhjiössä (metri), radioaktiivisen hajoamisnopeus (aika) tai Planckin vakio. (kilo), joita kaikkia käytetään SI:n avainmittayksiköiden kalibrointiin.
"Kun ostat mittalaitteen, ihmiset eivät yleensä ajattele, mistä asteikko tulee", Korpelainen sanoi. Tämä koskee myös tutkijoita ja insinöörejä.
Kun nanomittakaavat ovat olleet tutkijoiden valtakuntaa, ne ovat yhä tärkeämpiä teollisuudessa. Nanoteknologia, tietokonesirut ja lääkkeet perustuvat tyypillisesti erittäin tarkkoihin mittauksiin hyvin pienissä mittakaavassa.
Jopa edistyneimmät mikroskoopit on kalibroitava, mikä tarkoittaa, että on ryhdyttävä toimenpiteisiin sen mittausten standardoimiseksi hyvin pienille. Korpelainen ja kollegat ympäri Eurooppaa kehittävät parannettuja atomivoimamikroskooppeja (AFM) meneillään olevassa MetExSPM-projektissa.
AFM on eräänlainen mikroskooppi, joka menee niin lähelle näytettä, että se voi melkein paljastaa sen yksittäiset atomit. "Teollisuudessa ihmiset tarvitsevat jäljitettäviä mittoja laadunvalvontaan ja komponenttien ostamiseen alihankkijoilta", Korpelainen sanoi.
Projektin avulla AFM-mikroskoopit voivat tehdä luotettavia mittauksia nanomittakaavan resoluutiolla käyttämällä nopeaa skannausta, jopa suhteellisen suurilla näytteillä.
"Teollisuus tarvitsee AFM-resoluutiota, jos haluaa mitata etäisyyksiä todella pienten rakenteiden välillä", Korpelainen sanoi. AFM-tutkimukset ovat paljastaneet, että mittausvirheet syntyvät helposti tässä mittakaavassa ja voivat olla jopa 30 %.
Pienten, kehittyneiden ja tehokkaiden laitteiden kysyntä tarkoittaa, että nanomittakaavan merkitys kasvaa. Hän käytti AFM-mikroskooppia ja lasereita muiden mikroskooppien tarkkuusvaakojen kalibroimiseen.
Hän koordinoi myös toista projektia, 3DNanoa, mitatakseen nanomittakaavan 3D-objekteja, jotka eivät aina ole täysin symmetrisiä. Tällaisten kohteiden tarkat mittaukset tukevat uuden teknologian kehitystä lääketieteessä, energian varastoinnissa ja avaruustutkimuksessa.
Radonivirta
Dr. Saksan kansallisen metrologian instituutin PTB:n ydinfyysikko Annette Röttger on kiinnostunut mittaamaan radonin, radioaktiivisen kaasun, jolla ei ole väriä, hajua tai makua.
Radonia esiintyy luonnossa. Se on peräisin maan alla hajoavasta uraanista. Yleensä kaasu vuotaa ilmakehään ja on vaaratonta, mutta se voi saavuttaa vaarallisen tason, kun se kerääntyy asuntoihin ja voi aiheuttaa sairauksia asukkaille.
Mutta on toinenkin syy, miksi Röttger on kiinnostunut radonin mittaamisesta. Hän uskoo, että se voi parantaa tärkeiden kasvihuonekaasujen (GHG) mittaamista.
"Metaanin ja hiilidioksidin määrät ilmakehässä voidaan mitata erittäin tarkasti, mutta et voi mitata näiden kaasujen virtausta maasta ulos edustavasti", Röttger sanoi.
Vuo on kaasun tihkumisnopeus. Se on hyödyllinen mittaus muiden kasvihuonekaasujen, kuten metaanin, määrien jäljittämiseksi, jotka myös vuotavat maasta. Maasta ulos tulevan metaanin mittaukset ovat vaihtelevia, joten yksi paikka eroaa toisesta muutaman askeleen päässä. Radonkaasun virtaus maasta seuraa tarkasti metaanin virtausta, joka on sekä luonnosta että ihmisestä peräisin oleva vahingollinen kasvihuonekaasu.
Kun maaperän radonkaasupäästöt lisääntyvät, lisääntyvät myös hiilidioksidi- ja metaanipitoisuudet. "Radon on homogeenisempaa", Röttger sanoi, "ja radonin ja näiden kasvihuonekaasujen välillä on läheinen korrelaatio." Sitä tutkiva tutkimusprojekti on nimeltään traceRadon.
Radon mitataan sen radioaktiivisuuden perusteella, mutta sen alhaisten pitoisuuksien vuoksi se on erittäin haastava mitata. "Monet laitteet eivät toimi ollenkaan, joten saat nollalukeman, koska olet tunnistusrajan alapuolella", Röttger sanoi.
Kosteikkojen uudelleenkostutus
Radonin vapautumisen mittaaminen antaa tutkijoille mahdollisuuden mallintaa päästöjen määrää maiseman perusteella. Tästä voi olla hyötyä ilmastonhallintatoimien vaikutusten mittaamisessa. Esimerkiksi tutkimukset osoittavat, että ojitettujen turvemaiden nopea uudelleenkosttuminen varastoi kasvihuonekaasuja ja hillitsee ilmastonmuutosta.
Mutta jos vaivaat kastella uudelleen suurta suoaluetta, "Haluatko tietää, toimiko tämä", sanoi Röttger. "Jos se toimii näille kasvihuonekaasuille, meidän pitäisi myös nähdä vähemmän radonia. Jos emme, se ei toiminut."
Tarkennetulla kalibroinnilla hanke parantaa radonmittauksia laajoilla maantieteellisillä alueilla. Tätä voidaan käyttää myös säteilyn ennakkovaroitusjärjestelmien parantamiseen eurooppalaisessa seurantaverkostossa nimeltä European Radiological Data Exchange Platform (EURDEP).
"Meillä on paljon vääriä hälytyksiä (johtuen radonista), ja saatamme jopa jättää hälytyksen väliin tämän takia", Röttger sanoi. "Voimme parantaa tätä verkkoa, mikä on yhä tärkeämpää metrologian säteilyhätätilanteiden hallinnan tuessa."
Ilmastokriisin intensiteetti huomioon ottaen on ratkaisevan tärkeää tarjota luotettavia tietoja poliittisille päättäjille, Röttger lisäsi. Tämä auttaa suuresti torjumaan ilmastonmuutosta, joka on luultavasti suurin uhka, jonka ihmiskunta on kohdannut sen jälkeen, kun kyynärää käytettiin ensimmäisen kerran mittana muinaisessa Egyptissä yli 3 000 vuotta sitten.
Tutki lisää
Radonin uudelleenarviointi luotettavaksi pohjaveden merkkiaineeksiToimittaja Horizon: EU Research & Innovation Magazine Laitaus: Pienillä asioilla on suuri merkitys mittaustieteessä (2022, 19. toukokuuta) haettu 19. toukokuuta 2022 osoitteesta https://phys.org/news/2022-05-small- big-difference-science.htmlTämä asiakirja on tekijänoikeuksien alainen. Yksityistä opiskelua tai tutkimusta varten tapahtuvaa reilua kauppaa lukuun ottamatta mitään osaa ei saa kopioida ilman kirjallista lupaa. Sisältö on tarkoitettu vain tiedoksi.
