Los científicos deben realizar mediciones cada vez más sofisticadas a medida que la tecnología se reduce a la nanoescala y enfrentamos desafíos globales por los efectos del cambio climático.

A medida que la industria trabaja cada vez más en la escala nanométrica (un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro), existe la necesidad de medir con mayor precisión y fiabilidad cosas que apenas podemos ver. Esto requiere metrología, la ciencia de la medición.

La metrología a nanoescala es útil en la vida cotidiana, por ejemplo, para medir dosis de medicamentos o en el desarrollo de chips informáticos para nuestros dispositivos digitales.

"La metrología es necesaria en todos los lugares donde se realizan mediciones o si desea comparar mediciones", dijo Virpi Korpelainen, científico principal del Centro de Investigación Técnica de Finlandia y el Instituto Nacional de Metrología en Espoo, Finlandia.

Desde las primeras civilizaciones, las medidas estandarizadas y consistentes siempre han sido cruciales para el buen funcionamiento de la sociedad. En la antigüedad, se usaban cantidades físicas como la medida del cuerpo.

Una de las primeras unidades conocidas fue el codo, que tenía aproximadamente la longitud de un antebrazo. Los romanos usaban los dedos y los pies en sus sistemas de medición, mientras que la historia cuenta que Enrique I de Inglaterra (alrededor de 1068 a 1135) trató de estandarizar una yarda como la distancia desde la nariz hasta el pulgar.

Unidades estándar

La estandarización exige definiciones precisas y mediciones consistentes. En aras de una mayor precisión, en la década de 1790, la comisión del gobierno francés estandarizó el metro como la unidad básica de distancia. Esto colocó a Europa en el camino hacia el sistema internacional estandarizado de unidades base (SI) que ha ido evolucionando desde entonces.

Desde 2018, se han redefinido algunas definiciones clave de unidades de medida. El kilo, el amperio, el kelvin y el mol ahora se basan en constantes fundamentales de la naturaleza en lugar de modelos físicos. Esto se debe a que con el tiempo, los modelos físicos cambian como sucedió con el modelo del kilo, que perdió una pequeña cantidad de masa más de 100 años después de su creación. Con este nuevo enfoque, que se adoptó después de años de cuidadosa ciencia, las definiciones no cambiarán.

Esta evolución a menudo está impulsada por una ciencia increíblemente sofisticada, familiar solo para los metrólogos, como la velocidad de la luz en el vacío (metro), la tasa de desintegración radiactiva (tiempo) o la constante de Planck (kilogramo), todos los cuales se utilizan para calibrar unidades clave de medida bajo el SI.

"Cuando compras un instrumento de medición, la gente normalmente no piensa de dónde viene la escala", dijo Korpelainen. Esto también se aplica a los científicos e ingenieros.

Una vez que el reino de los científicos de investigación, las nanoescalas son cada vez más importantes en la industria. La nanotecnología, los chips de computadora y los medicamentos generalmente se basan en mediciones muy precisas a escalas muy pequeñas.

Incluso los microscopios más avanzados deben calibrarse, lo que significa que se deben tomar medidas para estandarizar sus mediciones de los más pequeños. Korpelainen y sus colegas de toda Europa están desarrollando microscopios de fuerza atómica (AFM) mejorados en un proyecto en curso llamado MetExSPM.

AFM es un tipo de microscopio que se acerca tanto a una muestra que casi puede revelar sus átomos individuales. "En la industria, la gente necesita mediciones rastreables para el control de calidad y para comprar componentes de subcontratistas", dijo Korpelainen.

El proyecto permitirá que los microscopios AFM tomen medidas confiables a una resolución de nanoescala mediante el uso de escaneo de alta velocidad, incluso en muestras relativamente grandes.

"La industria necesita una resolución AFM si quiere medir distancias entre estructuras realmente pequeñas", dijo Korpelainen. La investigación sobre AFM ha revelado que los errores de medición se introducen fácilmente a esta escala y pueden llegar al 30 %.

La demanda de dispositivos pequeños, sofisticados y de alto rendimiento significa que la nanoescala está creciendo en importancia. Usó un microscopio AFM y láseres para calibrar escalas de precisión para otros microscopios.

También coordinó otro proyecto, 3DNano, para medir objetos 3D a nanoescala que no siempre son perfectamente simétricos. Las mediciones precisas de tales objetos respaldan el desarrollo de nuevas tecnologías en medicina, almacenamiento de energía y exploración espacial.

Flujo de radón

La Dra. Annette Röttger, física nuclear del PTB, el instituto nacional de metrología de Alemania, está interesada en medir el radón, un gas radiactivo sin color, olor ni sabor.

El radón se produce naturalmente. Se origina a partir del uranio en descomposición bajo tierra. Generalmente, el gas se filtra a la atmósfera y es inofensivo, pero puede alcanzar niveles peligrosos cuando se acumula en las viviendas, lo que podría causar enfermedades a los residentes.

Pero hay otra razón por la que Röttger está interesado en medir el radón. Ella cree que puede mejorar la medición de importantes gases de efecto invernadero (GEI).

"Para el metano y el dióxido de carbono, puedes medir las cantidades en la atmósfera con mucha precisión, pero no puedes medir el flujo de estos gases que salen del suelo, de manera representativa", dijo Röttger.

El flujo es la tasa de filtración de un gas. Es una medida útil para rastrear las cantidades de otros GEI, como el metano, que también se filtran del suelo. Las medidas de metano que sale del suelo son variables, por lo que un punto diferirá de otro a unos pocos pasos de distancia. El flujo de gas radón que sale del suelo sigue de cerca el flujo de metano, un GEI dañino con orígenes tanto naturales como humanos.

Cuando aumentan las emisiones de gas radón del suelo, también aumentan los niveles de dióxido de carbono y metano. "El radón es más homogéneo", dijo Röttger, "y existe una estrecha correlación entre el radón y estos gases de efecto invernadero". El proyecto de investigación para estudiarlo se llama traceRadon.

El radón se mide a través de su radiactividad pero, debido a sus bajas concentraciones, es muy difícil de medir. "Varios dispositivos no funcionarán en absoluto, por lo que obtendrá un valor de lectura cero porque está por debajo del límite de detección", dijo Röttger.

Rehumectación de humedales

Medir el escape de radón permite a los científicos modelar la tasa de emisiones en un paisaje. Esto puede ser útil para medir los efectos de las medidas de mitigación climática. Por ejemplo, las investigaciones indican que la rápida rehumidificación de las turberas drenadas almacena gases de efecto invernadero y mitiga el cambio climático.

Pero si se toma la molestia de volver a humedecer una gran zona pantanosa, "querrá saber si esto funcionó", dijo Röttger. "Si funciona para estos GEI, entonces también deberíamos ver salir menos radón. Si no lo hacemos, entonces no funcionó".

Con una calibración más precisa, el proyecto mejorará las mediciones de radón en grandes áreas geográficas. Esto también se puede usar para mejorar los sistemas de alerta temprana radiológica en una red de monitoreo europea llamada Plataforma Europea de Intercambio de Datos Radiológicos (EURDEP).

"Tenemos muchas falsas alarmas (debido al radón) e incluso podríamos perder una alarma debido a esto", dijo Röttger. "Podemos mejorar esta red, que es cada vez más importante para el apoyo a la gestión de emergencias radiológicas mediante metrología".

Dada la intensidad de la crisis climática, es fundamental presentar datos fiables para los responsables políticos, añadió Röttger. Esto ayudará en gran medida a abordar el cambio climático, posiblemente la mayor amenaza a la que se ha enfrentado la humanidad desde que el codo se empleó por primera vez como medida en el antiguo Egipto hace más de 3000 años. + Explora más

Reevaluación del radón como un indicador confiable de aguas subterráneas