“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.
