Forskare måste göra allt mer sofistikerade mätningar när teknologin krymper till nanoskalan och vi står inför globala utmaningar från effekterna av klimatförändringarna.

I takt med att industrin arbetar mer och mer på nanometerskalan (en nanometer är en miljarddels meter) finns det ett behov av att mäta mer tillförlitligt och exakt saker vi knappt kan se. Detta kräver metrologi, vetenskapen om mätning.

Metrologi i nanoskala är användbar i vardagen, till exempel för att mäta doser av läkemedel eller vid utveckling av datachips för våra digitala enheter.

"Metrologi behövs överallt där du gör mätningar eller om du vill jämföra mätningar", säger Virpi Korpelainen, senior forskare vid Finlands tekniska forskningscentrum och National Metrology Institute i Esbo, Finland.

Sedan de tidigaste civilisationerna har standardiserade och konsekventa mätningar alltid varit avgörande för att samhället ska fungera smidigt. I gamla tider användes fysiska storheter som kroppsmått.

En av de tidigaste kända enheterna var aln, som var ungefär lika lång som en underarm. Romarna använde fingrar och fötter i sina mätsystem medan historien säger att Henrik I av England (cirka 1068 till 1135) försökte standardisera en gård som avståndet från näsan till tummen.

Standardenheter

Standardisering kräver exakta definitioner och konsekventa mätningar. För att få större noggrannhet standardiserade den franska regeringskommissionen på 1790-talet mätaren som den grundläggande enheten för avstånd. Detta satte Europa på väg mot det standardiserade internationella systemet av basenheter (SI) som har utvecklats sedan dess.

Sedan 2018 har några nyckeldefinitioner av måttenheter omdefinierats. Kilo, ampere, kelvin och mullvad baseras nu på fundamentala konstanter i naturen istället för fysiska modeller. Detta beror på att med tiden förändras de fysiska modellerna som hände med modellen av kilot, som förlorade en liten mängd massa över 100 år efter att den skapades. Med detta nya tillvägagångssätt, som antogs efter år av noggrann vetenskap, kommer definitionerna inte att förändras.

Denna utveckling drivs ofta av otroligt sofistikerad vetenskap, som bara metrologer känner till, såsom ljusets hastighet i ett vakuum (meter), hastigheten för radioaktivt sönderfall (tid) eller Planck-konstanten (kilogram), som alla används för att kalibrera viktiga måttenheter under SI.

"När du köper ett mätinstrument tänker folk vanligtvis inte på var vågen kommer ifrån," sa Korpelainen. Detta gäller även forskare och ingenjörer.

En gång var forskares rike, nanoskalor är allt viktigare i industrin. Nanoteknik, datorchips och mediciner förlitar sig vanligtvis på mycket exakta mätningar i mycket små skalor.

Även de mest avancerade mikroskopen behöver kalibreras, vilket innebär att åtgärder måste vidtas för att standardisera dess mätningar av de mycket små. Korpelainen och kollegor runt om i Europa utvecklar förbättrade atomkraftmikroskop (AFM) i ett pågående projekt kallat MetExSPM.

AFM är en typ av mikroskop som kommer så nära ett prov att det nästan kan avslöja sina individuella atomer. "Inom industrin behöver människor spårbara mätningar för kvalitetskontroll och för att köpa komponenter från underleverantörer", säger Korpelainen.

Projektet kommer att tillåta AFM-mikroskop att ta tillförlitliga mätningar i nanoskala upplösning genom att använda höghastighetsskanning, även på relativt stora prover.

"Industrien behöver AFM-upplösning om de vill mäta avstånd mellan riktigt små strukturer," sa Korpelainen. Forskning på AFM har visat att mätfel lätt introduceras i denna skala och kan vara så höga som 30 %.

Efterfrågan på små, sofistikerade, högpresterande enheter betyder att nanoskalan blir allt viktigare. Hon använde ett AFM-mikroskop och lasrar för att kalibrera precisionsskalor för andra mikroskop.

Hon koordinerade också ett annat projekt, 3DNano, för att mäta 3D-objekt i nanoskala som inte alltid är perfekt symmetriska. Exakta mätningar av sådana föremål stödjer utvecklingen av ny teknik inom medicin, energilagring och rymdutforskning.

Radonflöde

Dr Annette Röttger, kärnfysiker vid PTB, det nationella metrologiinstitutet i Tyskland, är intresserad av att mäta radon, en radioaktiv gas utan färg, lukt eller smak.

Radon är naturligt förekommande. Det härstammar från sönderfallande uran under marken. I allmänhet läcker gasen ut i atmosfären och är ofarlig, men den kan nå farliga nivåer när den ansamlas i bostäder, vilket kan orsaka sjukdom hos boende.

Men det finns en annan anledning till att Röttger är intresserad av att mäta radon. Hon tror att det kan förbättra mätningen av viktiga växthusgaser (GHG).

"För metan och koldioxid kan man mäta mängderna i atmosfären väldigt exakt, men man kan inte mäta flödet av dessa gaser som kommer upp ur marken, representativt", sa Röttger.

Flux är hastigheten för läckage av en gas. Det är ett användbart mått för att spåra mängderna av andra växthusgaser som metan som också sipprar upp ur marken. Mätningar av metan som kommer ut ur marken är varierande, så att en punkt kommer att skilja sig från en annan några steg bort. Flödet av radongas ut ur marken följer noga flödet av metan, ett skadligt växthusgas med både naturligt och mänskligt ursprung.

När radongasutsläppen från marken ökar, ökar också koldioxid- och metanhalterna. "Radon är mer homogent", sa Röttger, "och det finns en nära korrelation mellan radon och dessa växthusgaser." Forskningsprojektet för att studera det kallas traceRadon.

Radon mäts via dess radioaktivitet men på grund av dess låga koncentrationer är det mycket utmanande att mäta. "Flera enheter kommer inte att fungera alls, så du får ett nollavläsningsvärde eftersom du ligger under detektionsgränsen", sa Röttger.

Återvätning av våtmarker

Att mäta utsläppet av radon gör det möjligt för forskare att modellera utsläppshastigheten över ett landskap. Detta kan vara användbart för att mäta effekterna av klimatreducerande åtgärder. Till exempel visar forskning att den snabba återvätning av dränerad torvmark lagrar växthusgaser och mildrar klimatförändringarna.

Men om du gör dig besväret med att återväta en stor myrmark, "du kommer att vilja veta om detta fungerade", sa Röttger. "Om det fungerar för dessa växthusgaser, då borde vi se mindre radon komma ut också. Om vi ​​inte gör det, då fungerade det inte."

Med mer exakt kalibrering kommer projektet att förbättra radonmätningarna över stora geografiska områden. Detta kan också användas för att förbättra radiologiska system för tidig varning i ett europeiskt övervakningsnätverk som kallas European Radiological Data Exchange Platform (EURDEP).

"Vi har massor av falsklarm (på grund av radon) och vi kan till och med missa ett larm på grund av detta", säger Röttger. "Vi kan göra det här nätverket bättre, vilket blir allt viktigare för radiologisk krishanteringsstöd genom metrologi."

Med tanke på intensiteten i klimatkrisen är det avgörande att presentera tillförlitliga data för beslutsfattare, tillade Röttger. Detta kommer i hög grad att hjälpa till att ta itu med klimatförändringarna, utan tvekan det största hotet mänskligheten har stått inför sedan aln först användes som ett mått i det forntida Egypten för över 3 000 år sedan. + Utforska vidare

Omvärdera radon som ett pålitligt grundvattenspårare