Les scientifiques doivent effectuer des mesures de plus en plus sophistiquées alors 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 travaille de plus en plus à l'échelle du nanomètre (un nanomètre est un milliardième de mètre), il est nécessaire de mesurer de manière plus fiable et précise des choses que nous pouvons à peine voir. Cela nécessite la métrologie, la science de la mesure.

La métrologie à l'échelle nanométrique est utile dans la vie de tous les jours, par exemple pour mesurer des doses de médicaments ou dans le développement de puces informatiques pour nos appareils numériques.

"La métrologie est nécessaire partout où vous effectuez des mesures ou si vous souhaitez 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 cruciales pour le bon fonctionnement de la société. Dans les temps anciens, des quantités physiques telles qu'une mesure corporelle étaient utilisées.

L'une des premières unités connues était la coudée, qui était approximativement 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 essayé de normaliser un mètre comme la distance entre son nez et son pouce.

Unités standards

La normalisation exige des définitions précises et des mesures cohérentes. Dans l'intérêt d'une plus grande précision, dans les années 1790, la commission gouvernementale française a normalisé le mètre comme unité de base de distance. 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 au lieu de modèles physiques. En effet, au fil du temps, les modèles physiques changent comme cela s'est produit avec le modèle du kilo, qui a perdu une infime quantité de masse plus de 100 ans après sa création. Avec cette nouvelle approche, qui a été adoptée après des années de recherche scientifique approfondie, les définitions ne changeront pas.

Cette évolution est souvent portée par une science incroyablement sophistiquée, familière uniquement aux métrologues, comme la vitesse de la lumière dans le vide (mètre), le taux de décroissance radioactive (temps) ou la constante de Planck (kilogramme), qui sont tous utilisés pour étalonner les principales unités de mesure sous le SI.

"Lorsque vous achetez un instrument de mesure, les gens ne pensent généralement pas d'où vient l'échelle", a déclaré Korpelainen. Cela vaut aussi pour les scientifiques et les ingénieurs.

Autrefois réservées aux chercheurs scientifiques, 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 ses mesures du très petit. 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 révéler ses atomes individuels. "Dans l'industrie, les gens ont besoin de mesures traçables pour le contrôle de la qualité et pour l'achat de composants auprès de sous-traitants", a déclaré Korpelainen.

Le projet permettra aux microscopes AFM de prendre des mesures fiables à une résolution nanométrique en utilisant un balayage à grande vitesse, même sur des échantillons relativement grands.

"L'industrie a besoin d'une résolution AFM si elle veut mesurer des distances entre de très petites structures", a déclaré Korpelainen. La recherche sur les AFM a révélé que les erreurs de mesure sont facilement introduites à cette échelle et peuvent atteindre 30 %.

La demande de petits appareils sophistiqués et performants signifie que l'échelle nanométrique prend de plus en plus d'importance. 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, afin de 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 en médecine, en stockage d'énergie et en exploration spatiale.

Flux de radon

Le Dr 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, odeur ou goût.

Le radon est d'origine naturelle. Il provient de la décomposition de l'uranium sous terre. Généralement, le gaz s'échappe dans l'atmosphère et est inoffensif, mais il peut atteindre des niveaux dangereux lorsqu'il s'accumule dans les habitations, provoquant potentiellement des maladies chez les résidents.

Mais il y a une autre raison pour laquelle Röttger s'intéresse à la mesure du radon. Elle pense que cela peut améliorer la mesure des gaz à effet de serre (GES) importants.

"Pour le méthane et le dioxyde de carbone, vous pouvez mesurer très précisément les quantités dans l'atmosphère, mais vous ne pouvez pas mesurer le flux de ces gaz sortant du sol, de manière représentative", a déclaré Röttger.

Le flux est le taux d'infiltration d'un gaz. C'est une mesure utile pour tracer les quantités d'autres GES tels que le méthane qui suintent également du sol. Les mesures de méthane sortant du sol sont variables, de sorte qu'un point différera d'un autre à quelques pas de distance. Le flux de gaz radon hors du sol suit de près le flux de méthane, un GES nocif d'origine naturelle et humaine.

Lorsque les émissions de radon provenant du sol augmentent, les niveaux de dioxyde de carbone et de méthane augmentent également. "Le radon est plus homogène", a déclaré 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 est mesuré via sa radioactivité, mais en raison de ses faibles concentrations, il est très difficile à mesurer. "Plusieurs appareils ne fonctionneront pas du tout, vous obtiendrez donc une valeur de lecture nulle car vous êtes en dessous de la limite de détection", a déclaré Röttger.

Réhumidification des zones humides

La mesure de la fuite de radon permet aux scientifiques de modéliser le taux d'émissions sur un paysage. Cela peut être utile pour mesurer les effets des mesures d'atténuation du changement climatique. Par exemple, la recherche indique que la réhumidification rapide des tourbières drainées stocke les gaz à effet de serre et atténue les changements climatiques.

Mais si vous vous donnez la peine de réhumidifier un grand marais, "vous voudrez savoir si cela a fonctionné", a déclaré Röttger. "Si cela fonctionne pour ces GES, nous devrions également voir moins de radon sortir. Si nous ne le faisons pas, 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 réseau 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 est de plus en plus important pour l'aide à la gestion des urgences radiologiques par la métrologie."

Compte tenu de l'intensité de la crise climatique, il est crucial de présenter des données fiables aux décideurs politiques, a ajouté Röttger. Cela aidera 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 mesure dans l'Égypte ancienne il y a plus de 3 000 ans. + Explorer plus loin

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