De kleine dingen maken een groot verschil in de wetenschap van meten

Wetenschappers moeten steeds geavanceerdere metingen doen naarmate technologie krimpt tot de nanoschaal en we worden geconfronteerd met wereldwijde uitdagingen door de effecten van klimaatverandering.

Omdat de industrie steeds meer op nanometerschaal werkt (een nanometer is een miljardste van een meter), is er behoefte aan betrouwbaarder en nauwkeuriger meten van dingen die we nauwelijks kunnen zien. Dit vereist metrologie, de wetenschap van het meten.

Metrologie op nanoschaal is nuttig in het dagelijks leven, bijvoorbeeld om doses medicijnen te meten of bij de ontwikkeling van computerchips voor onze digitale apparaten.

“Metrologie is overal nodig waar je metingen doet of als je metingen wilt vergelijken”, zegt Virpi Korpelainen, senior wetenschapper bij het Technical Research Centre of Finland en National Metrology Institute in Espoo, Finland.

Sinds de vroegste beschavingen zijn gestandaardiseerde en consistente metingen altijd cruciaal geweest voor het soepel functioneren van de samenleving. In de oudheid werden fysieke grootheden zoals een lichaamsmeting gebruikt.

Een van de vroegst bekende eenheden was de el, die ongeveer de lengte van een onderarm was. De Romeinen gebruikten vingers en voeten in hun meetsystemen, terwijl het verhaal gaat dat Hendrik I van Engeland (circa 1068 tot 1135) probeerde een yard te standaardiseren als de afstand van zijn neus tot zijn duim.

Standaard eenheden

Standaardisatie vereist nauwkeurige definities en consistente metingen. In het belang van een grotere nauwkeurigheid heeft de Franse regeringscommissie in de jaren 1790 de meter gestandaardiseerd als de basiseenheid voor afstand. Dit zette Europa op weg naar het gestandaardiseerde internationale systeem van basiseenheden (SI) dat sindsdien in ontwikkeling is.

Sinds 2018 zijn enkele belangrijke definities van meeteenheden opnieuw gedefinieerd. De kilo, de ampère, de kelvin en de mol zijn nu gebaseerd op fundamentele constanten in de natuur in plaats van op fysieke modellen. Dit komt omdat in de loop van de tijd de fysieke modellen veranderen, zoals gebeurde met het model van de kilo, dat een kleine hoeveelheid massa verloor meer dan 100 jaar nadat het was gemaakt. Met deze nieuwe benadering, die is aangenomen na jaren van zorgvuldige wetenschap, zullen de definities niet veranderen.

Deze evolutie wordt vaak aangedreven door ongelooflijk geavanceerde wetenschap, alleen bekend bij metrologen, zoals de snelheid van het licht in een vacuüm (meter), de snelheid van radioactief verval (tijd) of de Planck-constante (kilogram), die allemaal worden gebruikt om kalibreren van de belangrijkste meeteenheden onder de SI.

“Als je een meetinstrument koopt, denken mensen meestal niet aan waar de schaal vandaan komt”, zegt Korpelainen. Dit geldt ook voor wetenschappers en ingenieurs.

Eens het domein van onderzoekswetenschappers, worden nanoschalen steeds belangrijker in de industrie. Nanotechnologie, computerchips en medicijnen zijn doorgaans afhankelijk van zeer nauwkeurige metingen op zeer kleine schaal.

Zelfs de meest geavanceerde microscopen moeten worden gekalibreerd, wat betekent dat er stappen moeten worden ondernomen om de metingen van de zeer kleine te standaardiseren. Korpelainen en collega’s in heel Europa ontwikkelen verbeterde atomic force microscopen (AFM’s) in een lopend project genaamd MetExSPM.

AFM is een soort microscoop die zo dicht bij een monster komt dat het bijna zijn individuele atomen kan onthullen. “In de industrie hebben mensen traceerbare metingen nodig voor kwaliteitscontrole en voor het kopen van componenten van onderaannemers”, zegt Korpelainen.

Het project zal de AFM-microscopen in staat stellen om betrouwbare metingen te doen op nanoschaal resolutie door gebruik te maken van high-speed scanning, zelfs op relatief grote monsters.

“De industrie heeft AFM-resolutie nodig als ze afstanden tussen echt kleine structuren willen meten”, zei Korpelainen. Onderzoek naar AFM’s heeft aangetoond dat meetfouten op deze schaal gemakkelijk worden geïntroduceerd en kan oplopen tot 30%.

Door de vraag naar kleine, geavanceerde, goed presterende apparaten wordt de nanoschaal steeds belangrijker. Ze gebruikte een AFM-microscoop en lasers om precisieweegschalen voor andere microscopen te kalibreren.

Ze coördineerde ook een ander project, 3DNano, om 3D-objecten op nanoschaal te meten die niet altijd perfect symmetrisch zijn. Nauwkeurige metingen van dergelijke objecten ondersteunen de ontwikkeling van nieuwe technologie in de geneeskunde, energieopslag en ruimteverkenning.

Radonflux

Dr. Annette Röttger, kernfysicus bij PTB, het nationale metrologie-instituut in Duitsland, is geïnteresseerd in het meten van radon, een radioactief gas zonder kleur, geur of smaak.

Radon komt van nature voor. Het is afkomstig van rottend uranium onder de grond. Over het algemeen lekt het gas in de atmosfeer en is het ongevaarlijk, maar het kan gevaarlijke niveaus bereiken wanneer het zich ophoopt in woningenmogelijk veroorzakend ziekte aan ingezetenen.

Maar er is nog een reden waarom Röttger geïnteresseerd is in het meten van radon. Ze denkt dat het de meting van belangrijke broeikasgassen (BKG) kan verbeteren.

“Voor methaan en koolstofdioxide kun je de hoeveelheden in de atmosfeer heel precies meten, maar je kunt de flux van deze gassen die uit de grond komen niet representatief meten”, zei Röttger.

Flux is de snelheid waarmee een gas doorsijpelt. Het is een nuttige meting om de hoeveelheden andere broeikasgassen, zoals methaan, te traceren die ook uit de grond sijpelen. Metingen van methaan dat uit de grond komt, zijn variabel, zodat de ene plek op een steenworp afstand van de andere zal verschillen. De stroom van radongas uit de grond volgt nauw de stroom van methaan, een schadelijk BKG met zowel natuurlijke als menselijke oorsprong.

Wanneer de uitstoot van radongas uit de grond toeneemt, nemen ook de kooldioxide- en methaanniveaus toe. “Radon is homogener”, zei Röttger, “en er is een nauwe correlatie tussen radon en deze broeikasgassen.” Het onderzoeksproject om het te bestuderen heet spoorRadon.

Radon wordt gemeten via zijn radioactiviteit, maar vanwege de lage concentraties is het zeer uitdagend om te meten. “Verschillende apparaten zullen helemaal niet werken, dus je krijgt een nulwaarde omdat je onder de detectielimiet zit”, aldus Röttger.

Wetland herbevochtiging

Door de ontsnapping van radon te meten, kunnen wetenschappers de emissiesnelheid over een landschap modelleren. Dit kan nuttig zijn om de effecten van klimaatmitigerende maatregelen te meten. Onderzoek wijst bijvoorbeeld uit dat de snelle vernatting van gedraineerd veengebied slaat broeikasgas op en verzacht de klimaatverandering.

Maar als je de moeite neemt om een ​​groot moerasgebied opnieuw nat te maken, “wil je weten of dit heeft gewerkt”, zei Röttger. “Als het voor deze broeikasgassen werkt, zouden we ook minder radon naar buiten moeten zien komen. Als we dat niet doen, werkte het niet.”

Met een nauwkeurigere kalibratie zal het project de radonmetingen over grote geografische gebieden verbeteren. Dit kan ook worden gebruikt om radiologische systemen voor vroegtijdige waarschuwing te verbeteren in een Europees monitoringnetwerk genaamd het European Radiological Data Exchange Platform (EURDEP).

“We hebben veel valse alarmen (vanwege radon) en hierdoor kunnen we zelfs een alarm missen”, zegt Röttger. “We kunnen dit netwerk beter maken, wat steeds belangrijker wordt voor de ondersteuning van radiologische noodsituaties door middel van metrologie.”

Gezien de intensiteit van de klimaatcrisis is het cruciaal om betrouwbare gegevens voor beleidsmakers te presenteren, voegde Röttger eraan toe. Dit zal enorm helpen bij het aanpakken van klimaatverandering, misschien wel de grootste bedreiging waarmee de mensheid is geconfronteerd sinds de el meer dan 3000 jaar geleden voor het eerst als maatstaf werd gebruikt in het oude Egypte.