Os cientistas devem fazer medições cada vez mais sofisticadas à medida que a tecnologia encolhe para a nanoescala e enfrentamos desafios globais devido aos efeitos das mudanças climáticas.
À medida que a indústria trabalha cada vez mais na escala nanométrica (um nanômetro é um bilionésimo de um metro), há a necessidade de medir de forma mais confiável e precisa coisas que mal podemos ver. Isso requer metrologia, a ciência da medição.

A metrologia em nanoescala é útil na vida cotidiana, por exemplo, para medir doses de medicamentos ou no desenvolvimento de chips de computador para nossos dispositivos digitais.

"A metrologia é necessária em todos os lugares em que você faz medições ou se você deseja comparar medições", disse Virpi Korpelainen, cientista sênior do Centro de Pesquisa Técnica da Finlândia e do Instituto Nacional de Metrologia em Espoo, Finlândia.

Desde as primeiras civilizações, medições padronizadas e consistentes sempre foram cruciais para o bom funcionamento da sociedade. Nos tempos antigos, as grandezas físicas, como a medida do corpo, eram usadas.

Uma das primeiras unidades conhecidas foi o côvado, que tinha aproximadamente o comprimento de um antebraço. Os romanos usavam dedos e pés em seus sistemas de medição, enquanto a história diz que Henrique I da Inglaterra (por volta de 1068 a 1135) tentou padronizar uma jarda como a distância do nariz ao polegar.

Unidades padrão

A padronização exige definições precisas e medições consistentes. No interesse de maior precisão, na década de 1790, a comissão do governo francês padronizou o metro como a unidade básica de distância. Isso colocou a Europa no caminho para o sistema internacional padronizado de unidades de base (SI) que vem evoluindo desde então.

Desde 2018, algumas definições-chave de unidades de medida foram redefinidas. O quilo, o ampère, o kelvin e o mol são agora baseados em constantes fundamentais da natureza em vez de modelos físicos. Isso porque, com o tempo, os modelos físicos mudam como aconteceu com o modelo do quilo, que perdeu uma pequena quantidade de massa ao longo de 100 anos após sua criação. Com esta nova abordagem, que foi adotada após anos de cuidadosa ciência, as definições não mudarão.

Essa evolução é muitas vezes impulsionada por uma ciência incrivelmente sofisticada, familiar apenas aos metrologistas, como a velocidade da luz no vácuo (metro), a taxa de decaimento radioativo (tempo) ou a constante de Planck (quilograma), todas usadas para calibrar as principais unidades de medida sob o SI.

"Quando você compra um instrumento de medição, as pessoas normalmente não pensam de onde vem a escala", disse Korpellainen. Isso vale para cientistas e engenheiros também.

Uma vez que o domínio dos cientistas de pesquisa, as nanoescalas são cada vez mais importantes na indústria. Nanotecnologia, chips de computador e medicamentos normalmente dependem de medições muito precisas em escalas muito pequenas.

Mesmo os microscópios mais avançados precisam ser calibrados, o que significa que etapas devem ser tomadas para padronizar suas medições dos muito pequenos. Korpelainen e colegas em toda a Europa estão desenvolvendo microscópios de força atômica (AFMs) aprimorados em um projeto em andamento chamado MetExSPM.

O AFM é um tipo de microscópio que se aproxima tanto de uma amostra que quase pode revelar seus átomos individuais. "Na indústria, as pessoas precisam de medições rastreáveis ​​para controle de qualidade e compra de componentes de subcontratados", disse Korpelainen.

O projeto permitirá que os microscópios AFM façam medições confiáveis ​​em resolução em nanoescala usando varredura de alta velocidade, mesmo em amostras relativamente grandes.

"A indústria precisa de resolução AFM se quiser medir distâncias entre estruturas realmente pequenas", disse Korpellainen. Pesquisas sobre AFMs revelaram que erros de medição são facilmente introduzidos nessa escala e podem chegar a 30%.

A demanda por dispositivos pequenos, sofisticados e de alto desempenho significa que a nanoescala está crescendo em importância. Ela usou um microscópio AFM e lasers para calibrar escalas de precisão para outros microscópios.

Ela também coordenou outro projeto, o 3DNano, para medir objetos 3D em nanoescala que nem sempre são perfeitamente simétricos. Medições precisas de tais objetos apoiam o desenvolvimento de novas tecnologias em medicina, armazenamento de energia e exploração espacial.

Fluxo de radônio

A Dra. Annette Röttger, física nuclear do PTB, o instituto nacional de metrologia da Alemanha, está interessada em medir o radônio, um gás radioativo sem cor, cheiro ou sabor.

O radônio ocorre naturalmente. Origina-se do urânio em decomposição abaixo do solo. Geralmente, o gás vaza para a atmosfera e é inofensivo, mas pode atingir níveis perigosos quando se acumula nas residências, podendo causar doenças aos moradores.

Mas há outra razão pela qual Röttger está interessado em medir o radônio. Ela acredita que pode melhorar a medição de importantes gases de efeito estufa (GEE).

"Para metano e dióxido de carbono, você pode medir as quantidades na atmosfera com muita precisão, mas não pode medir o fluxo desses gases que saem do solo, de forma representativa", disse Röttger.

Fluxo é a taxa de infiltração de um gás. É uma medida útil para rastrear as quantidades de outros GEE, como o metano, que também vazam do solo. As medições do metano que sai do solo são variáveis, de modo que um ponto será diferente do outro a alguns passos de distância. O fluxo de gás radônio do solo acompanha de perto o fluxo de metano, um GEE prejudicial de origem natural e humana.

Quando as emissões de gás radônio do solo aumentam, os níveis de dióxido de carbono e metano também aumentam. "O radônio é mais homogêneo", disse Röttger, "e há uma estreita correlação entre o radônio e esses gases de efeito estufa". O projeto de pesquisa para estudá-lo é chamado traceRadon.

O radônio é medido através de sua radioatividade, mas por causa de suas baixas concentrações é muito difícil de medir. "Vários dispositivos não funcionarão, então você obterá um valor de leitura zero porque está abaixo do limite de detecção", disse Röttger.

Reumedecimento de áreas úmidas

Medir a fuga de radônio permite que os cientistas modelem a taxa de emissões em uma paisagem. Isso pode ser útil para medir os efeitos das medidas de mitigação do clima. Por exemplo, pesquisas indicam que a rápida re-umedecimento de turfeiras drenadas armazena gases de efeito estufa e mitiga as mudanças climáticas.

Mas se você se der ao trabalho de remolhar um grande pântano, "você vai querer saber se isso funcionou", disse Röttger. "Se funcionar para esses GEE, então devemos ver menos radônio saindo também. Se não funcionarmos, então não funcionou."

Com uma calibração mais precisa, o projeto melhorará as medições de radônio em grandes áreas geográficas. Isso também pode ser usado para melhorar os sistemas de alerta radiológico precoce em uma rede de monitoramento europeia chamada Plataforma Europeia de Intercâmbio de Dados Radiológicos (EURDEP).

"Temos muitos alarmes falsos (devido ao radônio) e podemos até perder um alarme por causa disso", disse Röttger. "Podemos melhorar essa rede, que é cada vez mais importante para o suporte ao gerenciamento de emergências radiológicas por metrologia."

Dada a intensidade da crise climática, é crucial apresentar dados confiáveis ​​para os formuladores de políticas, acrescentou Röttger. Isso ajudará muito a lidar com as mudanças climáticas, sem dúvida a maior ameaça que a humanidade enfrentou desde que o côvado foi empregado pela primeira vez como medida no antigo Egito, há mais de 3.000 anos. + Explorar mais

Reavaliando o radônio como um rastreador confiável de águas subterrâneas