Οι επιστήμονες πρέπει να κάνουν ολοένα και πιο εξελιγμένες μετρήσεις καθώς η τεχνολογία συρρικνώνεται στη νανοκλίμακα και αντιμετωπίζουμε παγκόσμιες προκλήσεις από τις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής.

Καθώς η βιομηχανία εργάζεται όλο και περισσότερο στο κλίμακα νανομέτρων (ένα νανόμετρο είναι ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου), υπάρχει ανάγκη να μετρηθούν πιο αξιόπιστα και με ακρίβεια πράγματα που μετά βίας μπορούμε να δούμε. Αυτό απαιτεί μετρολογία, την επιστήμη των μετρήσεων.

Η μετρολογία νανοκλίμακας είναι χρήσιμη σε καθημερινή ζωή, για παράδειγμα για τη μέτρηση δόσεων φαρμάκων ή για την ανάπτυξη τσιπ υπολογιστών για τις ψηφιακές συσκευές μας.

«Η μετρολογία χρειάζεται παντού όπου κάνετε μετρήσεις ή αν θέλετε να συγκρίνετε μετρήσεις», δήλωσε η Virpi Korpelainen, ανώτερη επιστήμονας στο Τεχνικό Κέντρο Ερευνών της Φινλανδίας και στο Εθνικό Ινστιτούτο Μετρολογίας στο Espoo της Φινλανδίας.

Από τους πρώτους πολιτισμούς, οι τυποποιημένες και συνεπείς μετρήσεις ήταν πάντα καθοριστικές για την ομαλή λειτουργία της κοινωνίας. Σε ΑΡΧΑΙΑ χρονια, χρησιμοποιήθηκαν φυσικά μεγέθη όπως μέτρηση σώματος.

Μία από τις παλαιότερες γνωστές μονάδες ήταν ο πήχης, που είχε περίπου το μήκος ενός αντιβραχίου. Οι Ρωμαίοι χρησιμοποιούσαν δάχτυλα και πόδια στα συστήματα μέτρησής τους, ενώ η ιστορία λέει ότι ο Ερρίκος Α' της Αγγλίας (περίπου 1068 έως 1135) προσπάθησε να τυποποιήσει μια αυλή ως την απόσταση από τη μύτη του έως τον αντίχειρά του.

Τυπικές μονάδες

Η τυποποίηση απαιτεί ακριβείς ορισμούς και συνεπείς μετρήσεις. Για λόγους μεγαλύτερης ακρίβειας, τη δεκαετία του 1790, η γαλλική κυβερνητική επιτροπή τυποποίησε τον μετρητή ως τη βασική μονάδα απόστασης. Αυτό έθεσε την Ευρώπη σε μια πορεία προς το τυποποιημένο διεθνές σύστημα μονάδων βάσης (SI) που εξελίσσεται έκτοτε.

Από το 2018, ορισμένοι βασικοί ορισμοί των μονάδων μέτρησης έχουν επαναπροσδιοριστεί. Το κιλό, το αμπέρ, το kelvin και το mole βασίζονται πλέον σε θεμελιώδεις σταθερές στη φύση αντί για φυσικά μοντέλα. Αυτό συμβαίνει επειδή με την πάροδο του χρόνου, τα φυσικά μοντέλα αλλάζουν όπως συνέβη με το μοντέλο του κιλού, το οποίο έχασε μια μικροσκοπική ποσότητα μάζας πάνω από 100 χρόνια μετά τη δημιουργία του. Με αυτή τη νέα προσέγγιση, η οποία υιοθετήθηκε μετά από χρόνια προσεκτικής επιστήμης, οι ορισμοί δεν θα αλλάξουν.

Αυτή η εξέλιξη συχνά καθοδηγείται από απίστευτα εξελιγμένη επιστήμη, γνωστή μόνο στους μετρολόγους, όπως η ταχύτητα του φωτός στο κενό (μέτρο), ο ρυθμός ραδιενεργού αποσύνθεσης (χρόνος) ή η σταθερά Planck (κιλό), τα οποία χρησιμοποιούνται για βαθμονομήστε βασικές μονάδες μέτρησης κάτω από το SI.

«Όταν αγοράζετε ένα όργανο μέτρησης, οι άνθρωποι συνήθως δεν σκέφτονται από πού προέρχεται η ζυγαριά», είπε ο Korpelainen. Αυτό ισχύει και για επιστήμονες και μηχανικούς.

Κάποτε το βασίλειο των επιστημόνων της έρευνας, οι νανοκλίμακες είναι όλο και πιο σημαντικές στη βιομηχανία. Η νανοτεχνολογία, τα τσιπ υπολογιστών και τα φάρμακα βασίζονται συνήθως σε πολύ ακριβείς μετρήσεις σε πολύ μικρές κλίμακες.

Ακόμη και τα πιο προηγμένα μικροσκόπια πρέπει να βαθμονομηθούν, πράγμα που σημαίνει ότι πρέπει να ληφθούν μέτρα για την τυποποίηση των μετρήσεών του για τα πολύ μικρά. Ο Korpelainen και οι συνάδελφοί του σε όλη την Ευρώπη αναπτύσσουν βελτιωμένα μικροσκόπια ατομικής δύναμης (AFM) σε ένα συνεχιζόμενο έργο που ονομάζεται MetExSPM.

Το AFM είναι ένας τύπος μικροσκοπίου που πλησιάζει τόσο πολύ σε ένα δείγμα, που μπορεί σχεδόν να αποκαλύψει τα μεμονωμένα άτομά του. «Στη βιομηχανία, οι άνθρωποι χρειάζονται ανιχνεύσιμες μετρήσεις για ποιοτικός έλεγχος και για την αγορά εξαρτημάτων από υπεργολάβους», δήλωσε η Korpelainen.

Το έργο θα επιτρέψει στα μικροσκόπια AFM να ​​λαμβάνουν αξιόπιστες μετρήσεις σε ανάλυση νανοκλίμακας χρησιμοποιώντας σάρωση υψηλής ταχύτητας, ακόμη και σε σχετικά μεγάλα δείγματα.

«Η βιομηχανία χρειάζεται ανάλυση AFM εάν θέλει να μετρήσει τις αποστάσεις μεταξύ πολύ μικρών κατασκευών», είπε ο Korpelainen. Έρευνα για AFMs έχει αποκαλύψει ότι τα σφάλματα μέτρησης εισάγονται εύκολα σε αυτή την κλίμακα και μπορεί να φτάσει το 30%.

Η ζήτηση για μικρές, εξελιγμένες συσκευές υψηλής απόδοσης σημαίνει ότι η νανοκλίμακα αυξάνεται σε σημασία. Χρησιμοποίησε ένα μικροσκόπιο AFM και λέιζερ για να βαθμονομήσει τις κλίμακες ακριβείας για άλλα μικροσκόπια.

Συντόνισε επίσης ένα άλλο έργο, 3DNano, προκειμένου να μετρηθούν τρισδιάστατα αντικείμενα νανοκλίμακας που δεν είναι πάντα απόλυτα συμμετρικά. Οι ακριβείς μετρήσεις τέτοιων αντικειμένων υποστηρίζουν την ανάπτυξη νέας τεχνολογίας στην ιατρική, την αποθήκευση ενέργειας και την εξερεύνηση του διαστήματος.

Ροή ραδονίου

Δρ. Annette Röttger, α πυρηνικός φυσικός στο PTB, το εθνικό ινστιτούτο μετρολογίας στη Γερμανία ενδιαφέρεται για τη μέτρηση του ραδονίου, α ραδιενεργό αέριο χωρίς χρώμα, μυρωδιά ή γεύση.

Το ραδόνιο υπάρχει φυσικά. Προέρχεται από αποσύνθεση ουρανίου κάτω από το έδαφος. Γενικά, το αέριο διαρρέει στην ατμόσφαιρα και είναι ακίνδυνο, αλλά μπορεί να φτάσει σε επικίνδυνα επίπεδα όταν συσσωρεύεται σε κατοικίες, προκαλώντας δυνητικά ασθένεια στους κατοίκους.

Αλλά υπάρχει ένας άλλος λόγος που ο Röttger ενδιαφέρεται για τη μέτρηση του ραδονίου. Πιστεύει ότι μπορεί να βελτιώσει τη μέτρηση των σημαντικών αερίων του θερμοκηπίου (GHG).

«Για το μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα, μπορείτε να μετρήσετε τις ποσότητες στην ατμόσφαιρα με μεγάλη ακρίβεια, αλλά δεν μπορείτε να μετρήσετε τη ροή αυτών των αερίων που βγαίνουν από το έδαφος, αντιπροσωπευτικά», είπε ο Röttger.

Η ροή είναι ο ρυθμός διαρροής ενός αερίου. Είναι μια χρήσιμη μέτρηση για τον εντοπισμό των ποσοτήτων άλλων GHG όπως το μεθάνιο που επίσης διαρρέουν από το έδαφος. Οι μετρήσεις του μεθανίου που εξέρχεται από το έδαφος είναι μεταβλητές, έτσι ώστε ένα σημείο να διαφέρει από το άλλο λίγα βήματα μακριά. Η ροή του αερίου ραδονίου έξω από το έδαφος παρακολουθεί στενά τη ροή του μεθανίου, ενός επιβλαβούς GHG τόσο φυσικής όσο και ανθρώπινης προέλευσης.

Όταν οι εκπομπές αερίου ραδονίου από το έδαφος αυξάνονται, αυξάνονται και τα επίπεδα διοξειδίου του άνθρακα και μεθανίου. «Το ραδόνιο είναι πιο ομοιογενές», είπε ο Röttger, «και υπάρχει στενή συσχέτιση μεταξύ του ραδονίου και αυτών των αερίων του θερμοκηπίου». Το ερευνητικό έργο για τη μελέτη του ονομάζεται traceRadon.

Το ραδόνιο μετριέται μέσω της ραδιενέργειας του, αλλά λόγω των χαμηλών συγκεντρώσεών του είναι πολύ δύσκολο να μετρηθεί. "Πολλές συσκευές δεν θα λειτουργούν καθόλου, επομένως θα λάβετε μια τιμή μηδενικής ανάγνωσης επειδή είστε κάτω από το όριο ανίχνευσης", είπε ο Röttger.

Επαναβροχή υγροτόπων

Η μέτρηση της διαφυγής του ραδονίου δίνει τη δυνατότητα στους επιστήμονες να μοντελοποιήσουν το ρυθμό των εκπομπών σε ένα τοπίο. Αυτό μπορεί να είναι χρήσιμο για τη μέτρηση των επιπτώσεων των μέτρων μετριασμού του κλίματος. Για παράδειγμα, η έρευνα δείχνει ότι το ταχεία εκ νέου διαβροχή των στραγγισμένων τυρφώνων αποθηκεύει αέρια θερμοκηπίου και μετριάζει την κλιματική αλλαγή.

Αλλά αν μπείτε στον κόπο να ξαναβρέξετε έναν μεγάλο βάλτο, «Θα θέλετε να μάθετε αν αυτό λειτούργησε», είπε ο Röttger. «Εάν λειτουργεί για αυτά τα GHG, τότε θα πρέπει να δούμε λιγότερο ραδόνιο να βγαίνει επίσης. Αν δεν το κάνουμε, τότε δεν λειτούργησε».

Με πιο ακριβή βαθμονόμηση, το έργο θα βελτιώσει τις μετρήσεις ραδονίου σε μεγάλες γεωγραφικές περιοχές. Αυτό μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση των συστημάτων έγκαιρης προειδοποίησης από ακτινοβολίες σε ένα ευρωπαϊκό δίκτυο παρακολούθησης που ονομάζεται European Radiological Data Exchange Platform (EURDEP).

«Έχουμε πολλούς ψευδείς συναγερμούς (λόγω ραδόνιο) και μπορεί ακόμη και να χάσουμε συναγερμό εξαιτίας αυτού», είπε ο Röttger. «Μπορούμε να βελτιώσουμε αυτό το δίκτυο, το οποίο είναι ολοένα και πιο σημαντικό για την υποστήριξη διαχείρισης έκτακτης ανάγκης ακτινολογικών καταστάσεων από τη μετρολογία».

Δεδομένης της έντασης της κλιματικής κρίσης, είναι ζωτικής σημασίας να παρουσιαστούν αξιόπιστα δεδομένα για τους υπεύθυνους χάραξης πολιτικής, πρόσθεσε ο Röttger. Αυτό θα βοηθήσει σημαντικά στην αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής, αναμφισβήτητα τη μεγαλύτερη απειλή που αντιμετώπισε η ανθρωπότητα από τότε που χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά ο πήχης ως μέτρο στην αρχαία Αίγυπτο πριν από περισσότερα από 3,000 χρόνια.