Gli scienziati devono effettuare misurazioni sempre più sofisticate poiché la tecnologia si riduce a scala nanometrica e dobbiamo affrontare le sfide globali dovute agli effetti del cambiamento climatico.

Poiché l'industria lavora sempre di più su scala nanometrica (un nanometro è un miliardesimo di metro), è necessario misurare in modo più affidabile e accurato cose che riusciamo a malapena a vedere. Ciò richiede la metrologia, la scienza della misurazione.

La metrologia su nanoscala è utile nella vita di tutti i giorni, ad esempio per misurare dosi di farmaci o nello sviluppo di chip per computer per i nostri dispositivi digitali.

"La metrologia è necessaria ovunque si effettuino misurazioni o se si desidera confrontare le misurazioni", ha affermato Virpi Korpelainen, scienziato senior presso il Centro di ricerca tecnica della Finlandia e l'Istituto nazionale di metrologia di Espoo, in Finlandia.

Sin dalle prime civiltà, misurazioni standardizzate e coerenti sono sempre state fondamentali per il buon funzionamento della società. Nei tempi antichi venivano utilizzate quantità fisiche come la misurazione del corpo.

Una delle prime unità conosciute era il cubito, che aveva all'incirca la lunghezza di un avambraccio. I romani usavano dita e piedi nei loro sistemi di misurazione mentre la storia racconta che Enrico I d'Inghilterra (dal 1068 al 1135 circa) cercò di standardizzare un metro come distanza dal naso al pollice.

Unità standard

La standardizzazione richiede definizioni precise e misurazioni coerenti. Nell'interesse di una maggiore precisione, negli anni '90 del Settecento, la commissione governativa francese standardizzò il metro come unità di base della distanza. Ciò ha portato l'Europa sulla strada del sistema internazionale standardizzato di unità di base (SI) che da allora si è evoluto.

Dal 2018 sono state ridefinite alcune definizioni chiave delle unità di misura. Il chilo, l'ampere, il kelvin e la talpa sono ora basati su costanti fondamentali in natura invece che su modelli fisici. Questo perché nel tempo i modelli fisici cambiano come è successo con il modello del chilo, che ha perso una piccola quantità di massa oltre 100 anni dopo la sua creazione. Con questo nuovo approccio, adottato dopo anni di attenta scienza, le definizioni non cambieranno.

Questa evoluzione è spesso guidata da una scienza incredibilmente sofisticata, familiare solo ai metrologi, come la velocità della luce nel vuoto (metro), la velocità di decadimento radioattivo (tempo) o la costante di Planck (chilogrammo), che sono tutti usati per calibrare le unità di misura chiave nell'ambito del SI.

"Quando si acquista uno strumento di misura, le persone in genere non pensano da dove provenga la bilancia", ha affermato Korpelainen. Questo vale anche per scienziati e ingegneri.

Un tempo regno dei ricercatori, le nanoscale sono sempre più importanti nell'industria. La nanotecnologia, i chip per computer e i farmaci in genere si basano su misurazioni molto accurate su scale molto piccole.

Anche i microscopi più avanzati devono essere calibrati, il che significa che devono essere presi provvedimenti per standardizzare le sue misurazioni del molto piccolo. Korpelainen e colleghi in tutta Europa stanno sviluppando microscopi a forza atomica (AFM) migliorati in un progetto in corso chiamato MetExSPM.

L'AFM è un tipo di microscopio che si avvicina così tanto a un campione da poterne quasi rivelare i singoli atomi. "Nell'industria, le persone hanno bisogno di misurazioni tracciabili per il controllo della qualità e per l'acquisto di componenti da subappaltatori", ha affermato Korpelainen.

Il progetto consentirà ai microscopi AFM di effettuare misurazioni affidabili a risoluzione su scala nanometrica utilizzando la scansione ad alta velocità, anche su campioni relativamente grandi.

"L'industria ha bisogno di una risoluzione AFM se vuole misurare le distanze tra strutture davvero piccole", ha affermato Korpelainen. La ricerca sugli AFM ha rivelato che gli errori di misurazione sono facilmente introdotti su questa scala e possono arrivare fino al 30%.

La domanda di dispositivi piccoli, sofisticati e ad alte prestazioni significa che l'importanza della nanoscala sta crescendo. Ha usato un microscopio AFM e laser per calibrare scale di precisione per altri microscopi.

Ha anche coordinato un altro progetto, 3DNano, per misurare oggetti 3D su scala nanometrica che non sono sempre perfettamente simmetrici. Misurazioni precise di tali oggetti supportano lo sviluppo di nuove tecnologie in medicina, accumulo di energia ed esplorazione dello spazio.

Flusso di radon

La dott.ssa Annette Röttger, fisica nucleare del PTB, l'istituto nazionale di metrologia in Germania, è interessata a misurare il radon, un gas radioattivo privo di colore, odore o sapore.

Il radon è presente in natura. Proviene dall'uranio in decomposizione sotto terra. Generalmente, il gas si disperde nell'atmosfera ed è innocuo, ma può raggiungere livelli pericolosi quando si accumula nelle abitazioni, causando potenzialmente malattie ai residenti.

Ma c'è un'altra ragione per cui Röttger è interessato a misurare il radon. Crede che possa migliorare la misurazione di importanti gas serra (GHG).

"Per il metano e l'anidride carbonica, è possibile misurare le quantità nell'atmosfera in modo molto preciso, ma non è possibile misurare il flusso di questi gas che escono dal suolo, in modo rappresentativo", ha affermato Röttger.

Il flusso è la velocità di infiltrazione di un gas. È una misura utile per tracciare le quantità di altri gas serra, come il metano, che fuoriescono anche dal suolo. Le misure del metano in uscita dal suolo sono variabili, per cui un punto differirà da un altro a pochi passi di distanza. Il flusso di gas radon fuori dal suolo segue da vicino il flusso di metano, un dannoso GHG di origine sia naturale che umana.

Quando le emissioni di gas radon dal suolo aumentano, aumentano anche i livelli di anidride carbonica e metano. "Il radon è più omogeneo", ha detto Röttger, "e c'è una stretta correlazione tra il radon e questi gas serra". Il progetto di ricerca per studiarlo si chiama traceRadon.

Il radon viene misurato tramite la sua radioattività, ma a causa delle sue basse concentrazioni è molto difficile da misurare. "Diversi dispositivi non funzioneranno affatto, quindi otterrai un valore di lettura zero perché sei al di sotto del limite di rilevamento", ha affermato Röttger.

Riumidificazione delle zone umide

Misurare la fuga di radon consente agli scienziati di modellare il tasso di emissioni su un paesaggio. Questo può essere utile per misurare gli effetti delle misure di mitigazione del clima. Ad esempio, la ricerca indica che il rapido reinumidimento delle torbiere drenate immagazzina gas serra e mitiga il cambiamento climatico.

Ma se ti prendi la briga di riumidificare una grande palude, "Vorrai sapere se ha funzionato", ha detto Röttger. "Se funziona per questi gas serra, allora dovremmo vedere anche uscire meno radon. Se non lo facciamo, allora non ha funzionato".

Con una calibrazione più precisa, il progetto migliorerà le misurazioni del radon su vaste aree geografiche. Questo può essere utilizzato anche per migliorare i sistemi di allarme rapido radiologico in una rete di monitoraggio europea denominata Piattaforma europea per lo scambio di dati radiologici (EURDEP).

"Abbiamo molti falsi allarmi (a causa del radon) e potremmo anche perdere un allarme per questo", ha affermato Röttger. "Possiamo migliorare questa rete che è sempre più importante per il supporto della metrologia alla gestione delle emergenze radiologiche".

Data l'intensità della crisi climatica, è fondamentale presentare dati affidabili per i responsabili politici, ha aggiunto Röttger. Ciò contribuirà notevolmente ad affrontare il cambiamento climatico, probabilmente la più grande minaccia che l'umanità ha dovuto affrontare da quando il cubito è stato impiegato per la prima volta come misura nell'antico Egitto oltre 3000 anni fa. + Esplora ulteriormente

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