Misurazione di precisione sotto impatto – Quando la bilancia stessa diventa l'oggetto della misurazione
In futuro, sarà possibile studiare contemporaneamente le perdite di materiale e le trasformazioni chimiche
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Come si effettuano misurazioni utilizzando una delle bilance più sensibili al mondo? I ricercatori della TU Wien hanno dimostrato come il processo di misurazione influisca non solo sull'oggetto misurato, ma anche sulla bilancia stessa, e dove si trovano i limiti assoluti della precisione.
Il team della TU Wien (da sinistra a destra): Friedrich Aumayr, Martina Fellinger, Christian Cupak, Michael Schmid
© TU Wien
Quando saliamo su una bilancia da bagno, viene misurata la forza che esercitiamo su di essa. La bilancia di precisione della TU Wien si basa su un principio completamente diverso: si tratta di una microbilancia a cristallo di quarzo. In questo processo, un cristallo viene messo in vibrazione. Se la sua massa cambia, cambia anche la frequenza di oscillazione del cristallo, e questo può essere misurato con una precisione sorprendente: fino a nove cifre significative, il che significa con un'accuratezza di circa uno su un miliardo.
Alla TU Wien, questa microbilancia estremamente precisa viene utilizzata per studiare il bombardamento delle superfici con ioni. Gli ioni possono espellere singoli atomi dalla superficie, un processo cruciale nella ricerca sui materiali e nella fusione nucleare. Per comprendere tali minime perdite di materiale, è necessario spingersi oltre i limiti di ciò che è misurabile. Questi limiti sono stati ora esaminati in modo più dettagliato da un team della TU Wien in collaborazione con i partner dell'Università di Uppsala. Lo studio ha rivelato che un fascio di ioni ad alta energia influisce non solo sul materiale oggetto di studio, ma anche sullo strumento di misura stesso. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Applied Surface Science.
Più di un semplice segnale di misurazione
Durante le misurazioni condotte nell’ambito dello studio utilizzando una microbilancia a cristallo di quarzo, i ricercatori non hanno potuto semplicemente leggere un singolo risultato di misurazione, come si farebbe con una bilancia da bagno. "Il sistema reagisce in modo molto complesso e si verificano diversi effetti su scale temporali diverse che si sovrappongono tra loro", spiega Martina Fellinger della TU Wien, autrice principale dello studio.
Quando il fascio di ioni colpisce il cristallo, agisce come una minuscola fonte di calore puntiforme. “Il riscaldamento locale genera sollecitazioni meccaniche nel cristallo”, afferma Fellinger. “E sono proprio queste sollecitazioni a modificare la frequenza di risonanza.” Particolarmente degno di nota: l’effetto dipende fortemente dal punto esatto in cui il fascio colpisce il cristallo. «Piccoli cambiamenti di posizione possono alterare significativamente il segnale», afferma Fellinger. Su una scala temporale di minuti, è importante anche un altro effetto: l’intero cristallo si riscalda lentamente, il che modifica anch’esso la frequenza di risonanza.
Il cambiamento effettivo di massa che si vorrebbe rilevare con la microbilancia a cristallo di quarzo, tuttavia, sarebbe un effetto permanente: quando gli atomi vengono rimossi dalla superficie, la massa vibrante diminuisce, causando un aumento della frequenza di risonanza. Tuttavia, lo studio dimostra che anche un segnale di frequenza persistente non è automaticamente un'informazione pura sulla massa. Può anche derivare da cambiamenti nel quarzo stesso, come i danni da radiazioni.
La sovrapposizione di tutti questi effetti rende impossibile tracciare una linea netta tra la bilancia e l'oggetto misurato. La bilancia stessa cambia a seguito della misurazione e solo tenendo conto di questo si possono ottenere risultati accurati. Nella loro ricerca, il team è stato in grado di spiegare fisicamente e quantificare i singoli effetti. Ciò è particolarmente essenziale per le future applicazioni di questa metodologia di misurazione.
Misurazioni precise delle variazioni di massa sono importanti, ad esempio, per ottimizzare l'ablazione dei materiali nei futuri reattori a fusione o per comprendere l'erosione superficiale su pianeti e lune nello spazio. Gli esperimenti corrispondenti sono stati studiati intensamente per anni presso la TU Wien nel gruppo guidato dal Prof. Friedrich Aumayr, dove Martina Fellinger sta conducendo la sua tesi di dottorato. A lungo termine, la combinazione di microbilance al quarzo con fasci ionici ad alta energia per l'analisi dei materiali apre nuove possibilità: ad esempio, in futuro si potrebbero studiare contemporaneamente le perdite di materiale e i cambiamenti chimici. Lo studio chiarisce che quando si misura con estrema precisione, non si misura solo l'oggetto, ma anche la fisica dello strumento di misura stesso.
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