Публикации: Прочее (рубрикатор)

“Мерка дело красит”

Поговорка

Любой человек в повседневной жизни встречается с необходимостью измерения. Чтобы приготовить вкусный обед, нужно смешать ингредиенты строго по рецепту, а чтобы расплатиться за потраченную электроэнергию или объём скопированной информации, необходимо знать их количество. Любая покупка в магазине, например, одежды подразумевает, что Вы знаете ее размер, мяса – его массу, сока – его объем, и платите вы соответственно. Часто человек даже не задумывается, что все эти измерения производятся с помощью устройств, которые созданы трудом ученых, занимающихся метрологией. Итак, метрология (от греч. métron - мера и lógos - учение) – наука о том, с помощью каких методов и какими средствами надо проводить различные измерения, чтобы обеспечить их единство и добиться требуемой точности.

С древних времен человечество пытается принять однозначную систему «единиц измерения». Этим вопросом занимались правители и ученые в Древнем Китае, Греции, Персии, Риме, Англии, Феодальной Европе и на Руси. В то время эталоны единиц измерения были нехитрые: размеры органов тела королей, любимых музыкальных инструментов императоров и пр. Развитие науки, торговли и мореплавания требовало постоянных пересчетов одних мер в другие, только в Европе в XVII в. использовалось около 100 различных фунтов и 50 различных миль. Привести к порядку единицы измерения первыми решились французы. В 1791 г. Национальное собрание Франции приняло решение повсеместно перейти на метрическую систему, базирующуюся на метре и грамме, причем метр определили как одну десятимиллионную долю участка земного меридиана от Северного полюса до экватора. С помощью имевшихся на тот момент астрономических и механических приспособлений первый эталон метра (“метр архива”) был изготовлен французским мастером Ленуаром в виде платиновой линейки шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм. В 1872 г. Международная метрическая комиссия решила отказаться от «естественного» (привязанного к длине меридиана) эталона длины и приняла «метр архива» в качестве исходной меры длины. По нему изготовили и распространили между странами 31 эталон в виде бруса специальной формы из сплава Pt (90%)-Ir (10%). Долгое время эти эталоны обеспечивали определение метра с ошибкой ~ 0,2 мкм и удовлетворяли нуждам науки и техники. Новое определение метра приняли лишь в1960 г., приравняв его к 1650763,73 длины волны излучения атома криптона в вакууме. Старые, “архивные метры” стали экспонатами музеев, а новое определение метра позволило уменьшить ошибку при измерении метра с 0,2 мкм до 30 нм.

В России международные стандарты начал внедрять Д.И. Менделеев, который в 1893 г. основал и возглавил Главную палату мер и весов, в дальнейшем преобразованную во Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии и стандартизации его имени (ВНИИМС). Этим институтом разрабатываются специальные документы - ГОСТ’ы, призванные регламентировать все методики измерения, технологии производства и свойства измерительных инструментов. С 1960 г. в России было принято решение о создании ГОСТ’ов только в соответствии с системой СИ, в которой основными единицами измерения являются метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела и моль. Однако в повседневной жизни оказывается удобнее производить измерения в несистемных единицах – объём измерять в литрах, а не кубических метрах, а температуру в градусах Цельсия, а не Кельвина.

С метрологическими инструментами мы регулярно сталкиваемся в повседневной жизни – это линейки, угольники, весы, электро-, тепло- и газовые счетчики. А методиками, мы пользуемся, например, при покупке приправ, зелени и других легковесных продуктов. Так, полезно знать, что обычные весы в магазине могут измерять вес с точностью до 5 г., если масса продукта превышает 100 г. Поэтому нельзя взвешивать на весах продукты меньшей массы, а чтобы измеренная масса совпадала с показанием «контрольных весов» надо все весы устанавливать согласно определенным правилам.

Каждой единице измерения соответствует свой эталон, для каждого случая создается свой измерительный элемент. Согласитесь, что никому и в голову не придет измерять ткань в магазине микрометром. Для этого подойдет деревянная метровая линейка с точностью в 1 см. А вот для измерения диаметра подшипника придется воспользоваться специальным инструментом – штангенциркулем с ценой деления 0,05 мм. А как же быть, если нужно определить размеры, скажем «углеродной нанотрубки», длина которой несколько микрон, а толщина не превышает десятка нанометров? Ее увидеть-то не просто, не то что измерить. Обычной линейкой тут не обойдешься. Так в метрологии появился новый раздел, который получил название «нанометрологии», изучающей способы передачи принятых единиц измерения от эталона к объектам, линейные размеры которых лежат в интервале 0,1 – 100 нм. В 1997 г. Консультативный комитет по длине рекомендовал принять за новый эталон измерения длины излучение стабилизированного He-Ne/J₂ лазера λ=632,99139822 нм. Такой эталон позволяет определить метр с ошибкой, не превышающей 0,02 нм, т.е. с точностью до одного атомного слоя.

Однако механически изготовленные приборы не позволяют измерять длину наноотрезков. Это делают с помощью сложных приборов – электронных и атомно-силовых микроскопов, однако для их применения нужно провести калибровку, то есть создать специальные «нанолинейки». Создавать «нанолинейки» с использованием интерферометров начали в начале 90-х годов прошлого века. Современный интерферометр позволяет измерять перемещение тел с точностью до долей диаметра атома, это достигается детектированием изменения картин интерференции 3-х световых потоков, от одного источника лазерного излучения. Пожалуй, наибольшего успеха в области создания «нанолинеек» добились исследователи Массачусетского технологического института, которые методом растровой интерференционной литографии на пластине с фоторезитом диаметром 300 мм нанесли периодические насечки, создав, таким образом, своеобразную линейку с ошибкой измерения длины в 1,1 нм. Не отстает от мирового прогресса и Россия, где производятся аналогичные «линейки» для измерения длин наноотрезков с ошибкой от 0,5 до 3 нм. Поддалась измерению и масса наночастиц: с развитием масс-спектроскопии оказалось возможным зарегистрировать массы отдельных нанокластеров и макромолекул. На сегодня уже разработаны ГОСТ’ы и технические условия, которым должны соответствовать коммерческие наноматериалы.

Литература

П.А Тодуа, Метрология в нанотехнологии, журнал Российские нанотехнологии, 2007, Том 2, № 1-2, стр. 61-69.