De små ting gør en stor forskel i videnskaben om måling

Forskere skal foretage stadig mere sofistikerede målinger, efterhånden som teknologien skrumper til nanoskalaen, og vi står over for globale udfordringer fra virkningerne af klimaændringer.

Efterhånden som industrien arbejder mere og mere på nanometerskalaen (en nanometer er en milliardtedel af en meter), er der behov for at måle mere pålideligt og præcist ting, vi næsten ikke kan se. Dette kræver metrologi, videnskaben om måling.

Nano-skala metrologi er nyttig i hverdagen, for eksempel til at måle doser af medicin eller i udviklingen af ​​computerchips til vores digitale enheder.

"Metrologi er nødvendig overalt, hvor du foretager målinger, eller hvis du vil sammenligne målinger," sagde Virpi Korpelainen, seniorforsker ved Finlands Tekniske Forskningscenter og National Metrology Institute i Espoo, Finland.

Siden de tidligste civilisationer har standardiserede og konsistente målinger altid været afgørende for et velfungerende samfund. I oldtiden brugte man fysiske størrelser såsom en kropsmål.

En af de tidligst kendte enheder var alen, som var omtrent på længden af ​​en underarm. Romerne brugte fingre og fødder i deres målesystemer, mens historien fortæller, at Henry I af England (ca. 1068 til 1135) forsøgte at standardisere en gård som afstanden fra hans næse til hans tommelfinger.

Standardenheder

Standardisering kræver præcise definitioner og konsistente målinger. Af hensyn til større nøjagtighed standardiserede den franske regeringskommission i 1790'erne måleren som den grundlæggende afstandsenhed. Dette satte Europa på vej mod det standardiserede internationale system af basisenheder (SI), som har været under udvikling siden.

Siden 2018 er nogle nøgledefinitioner af måleenheder blevet omdefineret. Kiloet, amperen, kelvinen og muldvarpen er nu baseret på fundamentale konstanter i naturen i stedet for fysiske modeller. Dette skyldes, at de fysiske modeller over tid ændrer sig, som det skete med modellen af ​​kiloet, som mistede en lille smule masse over 100 år efter, at den blev skabt. Med denne nye tilgang, som blev vedtaget efter mange års omhyggelig videnskab, vil definitionerne ikke ændre sig.

Denne udvikling er ofte drevet af utrolig sofistikeret videnskab, kun kendt af metrologer, såsom lysets hastighed i et vakuum (meter), hastigheden af ​​radioaktivt henfald (tid) eller Planck-konstanten (kilogram), som alle er vant til at kalibrere nøgleenheder under SI.

"Når du køber et måleinstrument, tænker folk typisk ikke på, hvor skalaen kommer fra," sagde Korpelainen. Dette gælder også for forskere og ingeniører.

Nanoskalaer, der engang var forskernes område, er stadig vigtigere i industrien. Nanoteknologi, computerchips og medicin er typisk afhængige af meget nøjagtige målinger i meget små skalaer.

Selv de mest avancerede mikroskoper skal kalibreres, hvilket betyder, at der skal tages skridt til at standardisere dens målinger af de helt små. Korpelainen og kolleger rundt om i Europa udvikler forbedrede atomkraftmikroskoper (AFM'er) i et igangværende projekt kaldet MetExSPM.

AFM er en type mikroskop, der kommer så tæt på en prøve, at den næsten kan afsløre dens individuelle atomer. "I industrien har folk brug for sporbare målinger til kvalitetskontrol og for at købe komponenter fra underleverandører," sagde Korpelainen.

Projektet vil give AFM-mikroskoperne mulighed for at tage pålidelige målinger ved opløsning i nanoskala ved at bruge højhastighedsscanning, selv på relativt store prøver.

"Industrien har brug for AFM-opløsning, hvis de vil måle afstande mellem virkelig små strukturer," sagde Korpelainen. Forskning på AFM'er har afsløret, at målefejl nemt introduceres i denne skala og kan være så høje som 30%.

Efterspørgslen efter små, sofistikerede, højtydende enheder betyder, at nanoskalaen vokser i betydning. Hun brugte et AFM-mikroskop og lasere til at kalibrere præcisionsskalaer til andre mikroskoper.

Hun koordinerede også et andet projekt, 3DNano, for at måle 3D-objekter i nanoskala, der ikke altid er perfekt symmetriske. Præcise målinger af sådanne objekter understøtter udviklingen af ​​ny teknologi inden for medicin, energilagring og rumudforskning.

Radonflux

Dr. Annette Röttger, en kernefysiker ved PTB, det nationale metrologiinstitut i Tyskland, er interesseret i at måle radon, en radioaktiv gas uden farve, lugt eller smag.

Radon er naturligt forekommende. Det stammer fra henfaldende uran under jorden. Generelt siver gassen ud i atmosfæren og er ufarlig, men den kan nå farlige niveauer, når den ophobes i boliger, hvilket potentielt kan forårsage sygdom hos beboerne.

Men der er en anden grund til, at Röttger er interesseret i at måle radon. Hun mener, at det kan forbedre målingen af ​​vigtige drivhusgasser (GHG).

"For metan og kuldioxid kan du måle mængderne i atmosfæren meget præcist, men du kan ikke måle fluxen af ​​disse gasser, der kommer ud af jorden, repræsentativt," sagde Röttger.

Flux er hastigheden af ​​udsivning af en gas. Det er en nyttig måling at spore mængden af ​​andre drivhusgasser såsom metan, der også siver ud af jorden. Målinger af metan, der kommer ud af jorden, er variable, så et sted vil adskille sig fra et andet et par skridt væk. Strømmen af ​​radongas ud af jorden følger nøje strømmen af ​​metan, et skadeligt drivhusgas med både naturlig og menneskelig oprindelse.

Når udledningen af ​​radongas fra jorden stiger, stiger kuldioxid- og metanniveauet også. "Radon er mere homogent," sagde Röttger, "og der er en tæt sammenhæng mellem radon og disse drivhusgasser." Forskningsprojektet for at studere det kaldes traceRadon.

Radon måles via dets radioaktivitet, men på grund af dets lave koncentrationer er det meget udfordrende at måle. "Flere enheder vil slet ikke fungere, så du vil få en nul-aflæsningsværdi, fordi du er under detektionsgrænsen," sagde Röttger.

Genvædning af vådområder

Måling af udslip af radon gør det muligt for forskere at modellere emissionshastigheden over et landskab. Dette kan være nyttigt til at måle virkningerne af klimabegrænsende foranstaltninger. For eksempel peger forskning på, at den hurtige genvædning af drænet tørveland lagrer drivhusgasser og afbøder klimaændringer.

Men hvis du gør dig umage med at genbefugte et stort marskland, "vil du gerne vide, om dette virkede," sagde Röttger. "Hvis det virker for disse drivhusgasser, så burde vi også se mindre radon komme ud. Hvis vi ikke gør det, så virkede det ikke."

Med mere præcis kalibrering vil projektet forbedre radonmålinger over store geografiske områder. Dette kan også bruges til at forbedre radiologiske tidlige varslingssystemer i et europæisk overvågningsnetværk kaldet European Radiological Data Exchange Platform (EURDEP).

"Vi har masser af falske alarmer (på grund af radon), og vi kan endda gå glip af en alarm på grund af dette," sagde Röttger. "Vi kan gøre dette netværk bedre, som er stadig vigtigere for radiologisk nødhåndteringsstøtte ved hjælp af metrologi."

I betragtning af klimakrisens intensitet er det afgørende at præsentere pålidelige data for politiske beslutningstagere, tilføjede Röttger. Dette vil i høj grad hjælpe med at håndtere klimaændringer, velsagtens den største trussel, menneskeheden har stået over for, siden alen først blev brugt som målestok i det gamle Egypten for over 3.000 år siden. + Udforsk yderligere

Revurdering af radon som et pålideligt grundvandssporstof