Dans la science de la mesure, les petites choses font une grande différence


Dans la science de la mesure, les petites choses font une grande différence

Alors que la technologie se réduit à l’échelle nanométrique, mesurer que nous pouvons à peine voir devient plus important. Crédits photos : © Rito Succeed, Shutterstock

Les scientifiques doivent effectuer des mesures de plus en plus sophistiquées à mesure que la technologie se réduit à l’échelle nanométrique et que nous sommes confrontés à des défis mondiaux liés aux effets du changement climatique.

Alors que l’industrie passe à l’échelle du nanomètre (un nanomètre est un milliardième de mètre), les choses que nous pouvons à peine voir doivent être mesurées de manière plus fiable et plus précise. Cela nécessite la métrologie, la science de la mesure.

La technologie de mesure à l’échelle nanométrique est utile dans la vie de tous les jours, par exemple pour mesurer la dose de médicaments ou dans le développement de puces informatiques pour nos appareils numériques.

« La métrologie est nécessaire partout où vous souhaitez effectuer des mesures ou comparer des mesures », a déclaré Virpi Korpelainen, scientifique principal au Centre de recherche technique de Finlande et à l’Institut national de métrologie d’Espoo, en Finlande.

Depuis les premières civilisations, des mesures standardisées et cohérentes ont toujours été essentielles au bon fonctionnement de la société. Dans les temps anciens, les quantités physiques étaient utilisées comme une mesure corporelle.

L’une des premières unités connues était la coudée, qui avait à peu près la longueur d’un avant-bras. Les Romains utilisaient les doigts et les pieds dans leurs systèmes de mesure, tandis que l’histoire raconte qu’Henri Ier d’Angleterre (vers 1068 à 1135) a tenté de normaliser un mètre comme la distance entre son nez et son pouce.

unités par défaut

La standardisation nécessite des définitions précises et des mesures cohérentes. Dans l’intérêt d’une plus précision, la commission gouvernementale française a normalisé le mètre comme unité de base de distance dans les années 1790. Cela a mis l’Europe sur la voie du système international normalisé d’unités de base (SI) qui a évolué depuis.

Depuis 2018, certaines définitions clés des unités de mesure ont été redéfinies. Le kilo, l’ampère, le kelvin et la mole sont désormais basés sur des constantes fondamentales de la nature plutôt que sur des modèles physiques. Car avec le temps, les modèles physiques changent, comme le modèle du kilo, qui a perdu un peu de masse plus de 100 ans après sa création. Avec cette nouvelle approche, adoptée après des années de recherche scientifique approfondie, les définitions ne changeront pas.

Ce développement est souvent alimenté par une science incroyablement sophistiquée et familière uniquement aux métrologues, comme la de la lumière dans le vide (mètres), le taux de décroissance radioactive (temps) ou la constante de Planck (kilogrammes), qui sont tous habitués à calibrer d’importants unités de mesure sous le SI.

« Les gens ne pensent généralement pas à l’origine de la balance lorsqu’ils achètent un appareil de mesure », explique Korpelainen. Cela vaut également pour les scientifiques et les ingénieurs.

Autrefois domaine des chercheurs, les nanoéchelles prennent de plus en plus d’importance dans l’industrie. La nanotechnologie, les puces informatiques et les médicaments reposent généralement sur des mesures très précises à très petite échelle.

Même les microscopes les plus avancés doivent être calibrés, ce qui signifie que des mesures doivent être prises pour normaliser les mesures des plus petits. Korpelainen et ses collègues à travers l’Europe développent des microscopes à force atomique (AFM) améliorés dans le cadre d’un projet en cours appelé MetExSPM.

L’AFM est un type de microscope qui se rapproche si près d’un échantillon qu’il peut presque rendre visibles ses atomes individuels. « Dans l’industrie, les gens ont besoin de mesures traçables pour contrôler la qualité et acheter des composants auprès de sous-traitants », a déclaré Korpelainen.

Le projet permettra aux microscopes AFM d’effectuer des mesures fiables avec une résolution à l’échelle nanométrique même sur des échantillons relativement grands grâce à un balayage à grande vitesse.

« L’industrie a besoin d’une résolution AFM si elle veut mesurer des distances entre de très petites caractéristiques », a déclaré Korpelainen. Des études sur les AFM ont montré que des erreurs de mesure de cette ampleur sont facilement introduites et peuvent atteindre 30 %.

La demande d’appareils petits, sophistiqués et puissants signifie que l’échelle nanométrique gagne du terrain. Elle a utilisé un microscope AFM et des lasers pour calibrer des échelles de précision pour d’autres microscopes.

Elle a également coordonné un autre projet, 3DNano, pour mesurer des objets 3D à l’échelle nanométrique, qui ne sont pas toujours parfaitement symétriques. Les mesures précises de ces objets soutiennent le développement de nouvelles technologies dans les domaines de la médecine, du stockage de l’énergie et de l’exploration spatiale.

flux de radon

docteur Annette Röttger, physicienne nucléaire au PTB, l’institut national de métrologie en Allemagne, s’intéresse à la mesure du radon, un gaz radioactif sans couleur, sans odeur ni goût.

Le radon se produit naturellement. Il est créé par la décomposition souterraine de l’uranium. Généralement, le gaz est évacué dans l’atmosphère et est inoffensif, mais il peut atteindre des niveaux dangereux s’il s’accumule dans les bâtiments résidentiels, provoquant potentiellement des maladies chez les occupants.

Röttger s’intéresse également à la mesure du radon pour une autre raison. Elle pense que cela peut améliorer la mesure des principaux gaz à effet de serre (GES).

« Les quantités de méthane et de dioxyde de carbone dans l’atmosphère peuvent être mesurées très précisément, mais le flux de ces gaz depuis le sol ne peut pas être mesuré de manière représentative », explique Röttger.

Le débit est le taux de percolation d’un gaz. C’est une mesure utile pour suivre les niveaux d’autres gaz à effet de serre, comme le méthane, qui s’échappent également du sol. Les mesures de méthane sortant du sol sont variables, donc un point diffère d’un autre à quelques mètres de distance. Le flux de gaz radon du sol suit de près le flux de méthane, un gaz à effet de serre nocif d’origine naturelle et humaine.

À mesure que les émissions de radon provenant du sol augmentent, les niveaux de dioxyde de carbone et de méthane augmentent également. « Le radon est plus homogène », explique Röttger, « et il existe une étroite corrélation entre le radon et ces gaz à effet de serre. » Le projet de recherche pour l’étudier s’appelle traceRadon.

Le radon se mesure par sa radioactivité, mais il est très difficile à mesurer en raison de sa faible concentration. « Certains appareils ne fonctionneront pas du tout, vous donnant une lecture nulle parce que vous êtes en dessous de la limite de détection », a déclaré Röttger.

réhumidification des zones humides

La mesure des fuites de radon permet aux scientifiques de modéliser le taux d’émission dans un paysage. Cela peut être utile pour mesurer l’impact de l’action climatique. Des études montrent, par exemple, que la réhumidification rapide des landes asséchées stocke les gaz à effet de serre et atténue le changement climatique.

Mais quand on se donne la peine de réhumidifier un grand marais, « on veut savoir si ça a marché », dit Röttger. « Si cela fonctionne avec ces gaz à effet de serre, moins de radon devrait s’échapper. Si ce n’est pas le cas, cela n’a pas fonctionné. »

Grâce à un étalonnage plus précis, le projet améliorera les mesures du radon sur de vastes zones géographiques. Cela peut également être utilisé pour améliorer les systèmes d’alerte précoce radiologique dans un de surveillance européen appelé la plate-forme européenne d’échange de données radiologiques (EURDEP).

« Nous avons beaucoup de fausses alarmes (dues au radon) et nous pourrions même manquer une alarme à cause de cela », a déclaré Röttger. « Nous pouvons améliorer ce réseau, qui devient de plus en plus important pour soutenir la gestion des urgences radiologiques grâce à la métrologie. »

Compte tenu de l’intensité de la crise climatique, il est crucial de fournir des données fiables aux décideurs politiques, a ajouté Röttger. Cela contribuera grandement à lutter contre le changement climatique, sans doute la plus grande menace à laquelle l’humanité est confrontée depuis que la coudée a été utilisée pour la première fois comme unité de mesure dans l’Égypte ancienne il y a plus de 3 000 ans.


Réévaluer le radon comme traceur fiable pour les eaux souterraines


Fourni par Horizon : le magazine européen de la recherche et de l’innovation

Citation: The Little Things Make a Big Difference in Measurement Science (19 mai 2022) Extrait le 19 mai 2022 de https://phys.org/news/2022-05-small-big-difference-science.html

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