En el Sistema Métrico Decimal (SI) todas las unidades de medida se basan en definiciones reproducibles y no en objetos físicos, excepto el kilogramo.
Todavía hoy el kilogramo —el «cuánto pesa un kilo»— depende un modelo físico o patrón compuesto de platino e iridio. Al SI esto no le gusta porque prefiere que las unidades de medida puedan recrearse en cualquier lugar del mundo con igual resultado siempre; al final un objeto físico que hoy pesa un kilo dejará de pesar un kilo a lo largo del tiempo, antes o después. O se puede romper, perder o dañar.
De hecho, desde que se construyó en 1880 el kilogramo de referencia el kilo pesa 50 microgramos menos de lo que pesaba entonces.
De modo que desde hace ya tiempo se busca un sustituto para el kilogramo que siempre pese un kilogramo, en cualquier momento y lugar, «una definición no para obtener un kilo más preciso sino un kilo más estable», basado en leyes físicas y no en un objeto físico al que sólo se puede acceder viajando a Paris.
Una de los posibles sustitutos pasa por el Proyecto Avogadro que apuesta por construir varias esferas de superficie casi perfectas a nivel atómico y definir un nuevo kilo para sustituir el kilo que debe pesar exactamente lo mismo que pesaba el cilindro original cuando se fabricó.
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.
¿Cuantos átomos de silicio hay en esta esfera de vidrio?
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).
Entonces «el famoso cilindro depositado en la Oficina de Pesos y Medidas de París» —como lo estudiamos muchos en el colegio me incluyo— pasará a ser un objeto de museo sin utilidad práctica. Un interesante pisapapeles.
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Muertes y catástrofes históricas (by Humans)
