Posible redefinición del kilogramo a partir del cristal de silicio

El kilogramo es actualmente un concepto susceptible de transformación debido a las necesidades de precisión extrema de los experimentos químicos y físicos modernos.

Hasta ahora, el prototipo empleado como unidad internacional estándar de masa se ha guardado en una cámara de seguridad de París, concretamente del Bureau International de Poids et Mesures (la Agencia Internacional de Pesos y Medidas, cuya versión en español puede encontrarse en el Sistema Internacional de Unidades y Medidas.

Se trata de un cilindro del tamaño de una ciruela cuya masa es exactamente de un kilogramo. Lleva allí desde 1889, año en que este cilindro de platino e iridio se convirtió en la unidad internacional de masa que, ahora, los científicos pretenden actualizar.

Kilogramo a partir del número de átomos

Y es que un equipo de investigadores del Institute for Cristal Growth de Berlín, ha logrado producir un cristal de silicio que podría llevar a la redefinición de dicha unidad de masa, de la que diversos países poseen un prototipo similar al del Bureau Internacional de Poids et Mesures francés.

El problema de estos prototipos es el siguiente: su manipulación y su limpieza provocan pérdidas de sus átomos, es decir, pérdidas graduales de sus masas. Cierto es que son pérdidas mínimas, del orden de 70 microgramos (0,00000007 kilos), que para las balanzas de los mercados carecen de importancia alguna, pero resulta que en los experimentos actuales de la física y de la química, realizados con masas minúsculas (relacionadas con unidades como el amperio, el mol o la candela, son de gran importancia medidas estandarizadas extremadamente precisas.

Para obtener una definición máxima, por tanto, científicos de distintas partes del mundo exploran todas las posibilidades. Una prometedora aproximación, según informa el Forschungsverbund Berlin e. V, es la de definir la unidad del kilogramo a partir del número exacto de átomos que un elemento específico contenga.

Silicio de referencia

Dentro del Proyecto Avogadro para la búsqueda de un nuevo patrón de masa, ya se había elegido el silicio como elemento de referencia porque sus propiedades son bien conocidas. Ahora, los científicos alemanes del Institute for Crystal Growth han conseguido producir un cristal único de dicho material, de la mayor pureza y perfección. De esta pieza de cristal se tomarán dos esferas de un kilo cada una para estudios posteriores.

En primer lugar, las esferas deben ser comparadas con el prototipo antiguo del kilo, para determinar con exactitud sus masas reales. Después, se medirá la geometría esférica de los modelos con extremada precisión.

Finalmente, los científicos determinarán el entramado atómico que las compone. Todas las medidas deben ser extremadamente precisas con un margen de error de menos de uno entre cien millones. Si se logran estas condiciones, se puede calcular el número de átomos de silicio de cada esfera de cristal que se convertiría en una unidad de masa que no cambiaría con el tiempo.

La materia prima para este trabajo es en sí extremadamente valiosa, afirma el instituto alemán de investigación citado. Hace varias semanas, un equipo de científicos rusos logró generar 5 kilos de silicio altamente purificado cuyo coste rondaba los 2 millones de euros, aproximadamente 20 veces el precio del oro.

Esfuerzos continuados

Hace tiempo que los científicos pretenden sustituir el kilogramo estándar por una definición de naturaleza invariable.

Tal y como explica el National Institute of Standards and Technology de Estados Unidos (NIST, se han seguido dos métodos para tratar de lograrlo. Por un lado, el ya mencionado recuento atómico de una materia determinada, que establecería la relación entre el kilogramo y las masas atómicas midiendo con rayos X las distancias entre átomos en un cristal perfecto, así como la densidad y el peso de dichos átomos.

El otro método, de tipo electromagnético, compara y establece una relación entre la atracción gravitacional y una fuerza electromagnética, a través de la constante de Planck (constante fundamental de la naturaleza que mide la magnitud de los efectos de la mecánica cuántica) y utilizando la llamada balanza de Watt, que mide la energía necesaria para generar una fuerza electromagnética que equilibre la atracción gravitatoria de un kilogramo de masa.

El Sistema Internacional de Unidades vigente tiene su origen en la Convención del Metro de 1875, e incluye siete unidades base para otras tantas magnitudes: metro (longitud), kilogramo (masa), segundo (tiempo), amperio (corriente eléctrica), kelvin (temperatura termodinámica), mol (cantidad de sustancia) y candela (intensidad luminosa).