Medición de precisión bajo impacto: cuando la propia balanza se convierte en el objeto de medición
En el futuro, se podrían investigar simultáneamente las pérdidas de materia y los cambios químicos
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¿Cómo se realizan mediciones utilizando una de las balanzas más sensibles del mundo? Investigadores de la Universidad Técnica de Viena han demostrado cómo el proceso de medición afecta no solo al objeto que se mide, sino también a la propia balanza, y dónde se encuentran los límites absolutos de la precisión.
El equipo de la Universidad Técnica de Viena (de izquierda a derecha): Friedrich Aumayr, Martina Fellinger, Christian Cupak y Michael Schmid
© TU Wien
Cuando nos subimos a una báscula de baño, se mide la fuerza que ejercemos sobre ella. La báscula de precisión de la Universidad Técnica de Viena se basa en un principio completamente diferente: se trata de una microbalanza de cristal de cuarzo. En este proceso, se hace vibrar un cristal. Si su masa cambia, la frecuencia de oscilación del cristal también cambia, y esto se puede medir con una precisión asombrosa: hasta nueve cifras significativas, lo que significa con una exactitud de aproximadamente una entre mil millones.
En la Universidad Técnica de Viena, esta microbalanza extremadamente precisa se utiliza para estudiar el bombardeo de superficies con iones. Los iones pueden arrancar átomos individuales de la superficie, un proceso crucial en la investigación de materiales y la fusión nuclear. Para comprender pérdidas de material tan minúsculas, hay que traspasar los límites de lo medible. Estos límites han sido ahora examinados con mayor detalle por un equipo de la TU Wien en colaboración con socios de la Universidad de Uppsala. El estudio reveló que un haz de iones de alta energía afecta no solo al material objeto de estudio, sino también al propio instrumento de medición. Los resultados se publicaron en la revista Applied Surface Science.
Más que una simple señal de medición
Durante las mediciones realizadas como parte del estudio utilizando una microbalanza de cristal de cuarzo, los investigadores no pudieron limitarse a leer un único resultado de medición, como se haría con una báscula de baño. «El sistema reacciona de una manera muy compleja, y surgen varios efectos diferentes en distintas escalas de tiempo que se solapan entre sí», explica Martina Fellinger, de la Universidad Técnica de Viena (TU Wien) y autora principal del estudio.
Cuando el haz de iones incide sobre el cristal, actúa como una minúscula fuente de calor puntual. «El calentamiento local genera tensiones mecánicas en el cristal», afirma Fellinger. «Y son precisamente estas tensiones las que alteran la frecuencia de resonancia». Cabe destacar que el efecto depende en gran medida del punto exacto en el que el haz incide sobre el cristal. «Pequeños cambios de posición pueden alterar significativamente la señal», afirma Fellinger. En una escala de tiempo de minutos, también es importante otro efecto: todo el cristal se calienta lentamente, lo que también modifica la frecuencia de resonancia.
Sin embargo, el cambio real de masa que se desea detectar con la microbalanza de cristal de cuarzo sería un efecto permanente: cuando se eliminan átomos de la superficie, la masa vibrante disminuye, lo que provoca un aumento de la frecuencia de resonancia. Sin embargo, el estudio muestra que ni siquiera una señal de frecuencia persistente es automáticamente información pura sobre la masa. También puede deberse a cambios en el propio cuarzo, como daños por radiación.
La superposición de todos estos efectos significa que es imposible trazar una línea clara entre la balanza y el objeto que se está midiendo. La propia balanza cambia como resultado de la medición, y solo teniendo esto en cuenta se pueden obtener resultados precisos. En su investigación, el equipo logró explicar físicamente y cuantificar los efectos individuales. Esto es especialmente esencial para futuras aplicaciones de esta metodología de medición.
Las mediciones precisas de los cambios de masa son importantes, por ejemplo, para optimizar la ablación de material en futuros reactores de fusión o para comprender la erosión superficial en planetas y lunas en el espacio. Los experimentos correspondientes se han estudiado intensamente durante años en la Universidad Técnica de Viena (TU Wien), en el grupo dirigido por el profesor Friedrich Aumayr, donde Martina Fellinger está realizando su tesis doctoral. A largo plazo, la combinación de microbalanzas de cuarzo con haces de iones de alta energía para el análisis de materiales abre nuevas posibilidades: por ejemplo, en el futuro se podrían investigar simultáneamente las pérdidas de material y los cambios químicos. El estudio lo deja claro: cuando se mide con extrema precisión, no solo se mide el objeto, sino también la física del propio dispositivo de medición.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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