La Singularidad Desnuda

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Proyecto Avogadro: La Esfera Perfecta

Posted by Carlos en junio 14, 2007

A diferencia de otras magnitudes físicas como la longitud o el tiempo, la unidad de masa (el kilogramo) se define en términos de una medida-patrón. Concretamente, la referencia es un cilindro compuesto de una aleación de iridio y platino que se conserva en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (ubicada en Sèvres, cerca de París). Además de este patrón primario, hay copias que periódicamente se recalibran con el original. Evidentemente, sería ideal poder disponer de una definición de kilogramo que permitiera su reproducción sin necesidad de recurrir al patrón. Éste es el objetivo del Proyecto Avogadro.

El Proyecto Avogadro debe su nombre a Amedeo Avogadro, el físico y químico italiano que enunció la ahora conocida como Ley de Avogadro, y que puede enunciarse entre otras maneras como sigue:

“Volúmenes de gases diferentes medidos en las mismas condiciones de presión, volumen y temperatura, contienen igual número de moléculas”

En otras palabras, el volumen de un gas es proporcional al número de moléculas que contiene. Si consideramos un volumen tal que la masa del gas (en gramos) sea igual a la masa atómica de las moléculas que lo componen, encontramos que el número de moléculas es una constante, el número de Avogadro NA (o el número de Loschmidt en la literatura científica alemana), cuyo valor es de 6.022·1023 moléculas. A la cantidad de una sustancia (gaseosa o no) que contiene este número de moléculas se le denomina mol. Consideremos entonces un mol de carbono-12. Por su propia definición, su masa sería de 12 gramos, por lo que podría definirse un kilogramo como la masa de 1000NA/12 moléculas de carbono-12. El problema es que esta definición no es útil por cuestiones prácticas: no es fácil ser capaces de determinar si tenemos ese número de moléculas de ese elemento en concreto. Sin embargo, la idea es buena, y en ella se centra el Proyecto Avogadro.

En lugar de carbono, el objeto del proyecto es el silicio, un elemento barato, fácil de conseguir y de purificar, y cuya estructura cristalina es sumamente regular. Esto es una gran ventaja, ya que es fácil hacer crecer un cristal de silicio, y si se puede determinar su volumen con la suficiente precisión, entonces se conocerá con gran exactitud el número de moléculas que contiene. Dado que NA se conoce con una precisión de 0.1 ppm (partes por millón), es necesario ser capaces de determinar el volumen con una precisión análoga. Para ser precisos se está intentando confeccionar esferas de silicio de 9.63 cm de diámetro, con una precisión de 0.6 nm.

Esferas perfectas de silicio

Esto es una tarea de gran dificultad, ya que una variación de temperatura de únicamente 2 mK hace que la dilatación exceda esta tolerancia. Además, por efecto de oxidación pueden formarse capas de monóxido y dióxido de silicio de 3-4 nm de espesor. Las mediciones han de hacerse pues en entornos sumamente controlados, y se debe prestar gran atención a la pureza del material. Así, el trabajo en equipo del proyecto comprende a un grupo en Rusia que está produciendo silicio-28 con una pureza del 99.99%. Un grupo en Alemania se encarga de fundir y hacer crecer cilindros de silicio, que son enviados a Australia para que a partir de los mismo se confeccionen esferas casi-perfectas (hasta ahora, la mínima desviación conseguida ha sido de 35 nm). Simultáneamente, científicos en Bélgica estudian la pureza del silicio-28, científicos italianos miden el espacio entre átomos, en los EE.UU. se estudia por qué surgen a veces huecos en la estructura cristalina, y en Alemania, Reino Unido y Japón se estudian métodos para medir el peso que eliminen el empuje de Arquímedes efectuado por el aire. Todo un complejo trabajo en equipo que hará posible que en el futuro cercano se pueda reproducir el patrón de masa por todo aquel que lo desee (y tenga los medios, claro).

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4 comentarios to “Proyecto Avogadro: La Esfera Perfecta”

  1. panta said

    Para reproducir los patrones originales de la oficina de pesos y medidas ¿ no bastaba visitar París y pedir que abriesen los armarios donde las tienen? Luego un buen molde y … 😉
    Saludos

  2. Carlos said

    Pues no te creas que el procedimiento que se sigue hoy en día sea muy diferente. Lo único es que posiblemente si aparece el tendero de la esquina para que le hagan un duplicado, no le van a dejar 😉 .

  3. labquimica said

    mi duda es: qué procedimiento emplear para realizar la calibración? los colocan en una balanza? mmm

  4. Carlos said

    ¿Te refieres a los duplicados del patrón de Sèvres? No sé muy bien como será el procedimiento, pero imagino que sí, que habrá alguna balanza, o algún mecanismo para medir diferencias en inercia.

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