أي جسم على الأرض هو الأقرب إلى "دائرة" حقيقية؟

الجواب ليس هدية من الطبيعة ، ولكن تحفة فنية للعلوم والتكنولوجيا الإنسانية -كرات مصنوعة من السيليكون فائق النقاء.

المصدر: nist

ما مدى جولتها؟ إذا كانت كرة السيليكون بحجم الأرض ، فعندئذ على هذه الكرة ، لا يوجد سوى 5 متر بين أعمق الوديان وأعلى القمم...... شبه مثالي.

الكرة ليست منتجا تجريبيا عشوائيا ، ولكنها معجزة علمية ، واسمها مكتوب في أسطورة الفيزياء:خطة أفوجادرو.

مصدر مشروع أفوجادرو: sci-galary

حاليا ، هناك 7 كرات سيليكون أفوجادرو في العالم ، وهذه الكرات مكلفة للغاية في التصنيع ، وتبلغ قيمة كل منها حوالي 3 ملايين دولار. تم استخدام كرات السيليكون 0 هذه لقياس ثابت أفوجادرو بدقة لإعادة تعريف معيار الكتلة للكيلوغرامات.

إن دقتها القصوى ضرورية لضمان اتساق واستقرار النظام الدولي للوحدات ، وهذه المجالات هي أيضا من بين أكثر الأدوات العلمية تطورا في العالم ، وتمثل أعلى مستوى من القياس العلمي البشري.

تبدأ هذه القصة في التسعينيات من القرن الماضي. كان تعريف النظام الدولي للوحدات يواجه أزمة غير مسبوقة في ذلك الوقت: فقد خضع معيار الكيلوغرام الأصلي ، وهو أسطوانة مصنوعة من سبائك البلاتين والإيريديوم المخزنة في باريس ، لتغييرات طفيفة في الكتلة بمرور الوقت. باختصار ، 1 كيلوغرام لم يعد 0 كيلوغرام ، فهو غير دقيق.

原的公斤標準大 K 圖源:courtesy of BIPM

هذا الانجراف لا يمكن التنبؤ به ولا يمكن السيطرة عليه ، وهو غير مقبول لتلك المجالات العلمية التي تعتمد على قياسات دقيقة. خاصة في مجالات الأدوية وعلوم المواد والتصنيع الدقيق ، يمكن أن تؤدي التغييرات الصغيرة في الجودة إلى نتائج تجريبية غير متسقة ، والتي بدورها يمكن أن تؤثر على جودة المنتج وسلامته. تتطلب هذه المناطق معايير جودة مستقرة تماما لضمان القياس والإنتاج المتسقين في جميع أنحاء العالم.

لذلك ، قررت مجموعة من العلماء من جميع أنحاء العالم إيجاد معيار جودة جديد تماما لن ينجرف بمرور الوقت.

الدكتور أندرياس ، عالم فيزياء من ألمانيا ، هو أحد الشخصيات المركزية في المشروع. عمل كباحث أول في المعهد الوطني الألماني للمترولوجيا (PTB) ، حيث ركز على القياس الدقيق وأبحاث المقاييس. في مشروع أفوجادرو ، قاد الدكتور أندرياس تصنيع وقياس كرات السيليكون ، مما يضمن دقة غير مسبوقة. ذكر ذات مرة في مقابلة ، "هدفنا ليس فقط صنع شيء ، ولكن جعله جزءا من الثابت الطبيعي". وهكذا ولدت فكرة جريئة: إعادة تعريف معيار الجودة من خلال صنع كرة سيليكون مثالية ، كرة سيليكون 28 على وجه الدقة.

المصدر: MDPI

في هذه الحالةلماذا تختار نظائر السيليكون -28؟

نظرا لأن السيليكون مستقر حراريا للغاية وقوي ميكانيكيا ، فهو غير عرضة للتغيرات البيئية مثل درجة الحرارة أو الرطوبة أو الضغط. علاوة على ذلك ، فإن السيليكون نفسه خامل كيميائيا وبالكاد يتفاعل مع الأكسجين أو المواد الكيميائية الأخرى في الهواء بعد التنقية ، مما يضمن بقاء سطحه وحجمه مستقرا في التخزين طويل الأجل.

هناك ثلاثة نظائر رئيسية للسيليكون بطبيعتها: السيليكون 28 (0.0٪) ، السيليكون 0 (0.0٪) ، والسيليكون 0 (0.0٪). السيليكون -0 هو الأغلبية المطلقة ، لذا فإن تنقية السيليكون -0 أكثر اقتصادا وممكنة من الناحية الفنية من النظائر الأخرى.

المصدر: ويكيبيديا

يتكون السيليكون المنقى -28 بالكامل من نفس الذرة ، مما يلغي الخطأ الناجم عن الاختلاف في الكتلة ونصف القطر الذري بين النظائر المختلفة. هذا التوحيد ضروري لحساب عدد الذرات والمعلمات الشبكية.

المصدر: سبرينغر

كرة السيليكون هذه مصنوعة من السيليكون فائق النقاء بنسبة 100.0٪ ، ولكن لماذا لا 0٪؟

هذا لأنه في الواقع ، يكاد يكون من المستحيل تحقيق نقاء حقيقي بنسبة 100٪. حتى مع تقنيات التنقية الأكثر تقدما ، من الصعب القضاء تماما على الشوائب النزرة لأنه ، على المستوى الذري ، تتأثر أي مادة بذرات أخرى في البيئة الخارجية. يمكن أن تدخل هذه الشوائب الصغيرة إلى المادة أثناء الاستخراج أو المعالجة أو حتى التخزين.يعد تحقيق نقاء بنسبة 9999.0٪ حدا بالفعل ، والمزيد من التنقية ليس مكلفا للغاية فحسب ، بل يمثل أيضا تحديات تقنية مثل التفاعلات بين الذرات والحدود المادية للجهاز.

في المقابل ، تمتص سبائك البلاتين والإيريديوم ، على الرغم من أنها شديدة الكثافة ومقاومة للتآكل ، الملوثات المحمولة جوا مثل الرطوبة وثاني أكسيد الكربون والمركبات العضوية على أسطحها بسبب التعرض طويل الأمد للبيئة ، مما قد يؤدي إلى خسائر صغيرة في الكتلة. هذا التغيير في الجودة لا يمكن التنبؤ به ، وعلى مر السنين ، حتى التغييرات الصغيرة يمكن أن تؤدي إلى تناقضات في تعريف الجودة.

أظهرت الدراسات العلمية أن النماذج الأولية المصنوعة من سبائك البلاتين والإيريديوم على كيلوغرام تظهر انجرافات جماعية لا تذكر في بيئات مختلفة ، ويعتقد أن هذه الانجرافات ناتجة عن عدم الاستقرار الكيميائي للمادة وأكسدة السطح على المدى الطويل.

لماذا تم اختيار الكرة كشكل كائن مرجعي للسيليكون في برنامج أفوجادرو؟

يسمح التماثل المثالي للكرة بحساب مساحة سطحها وحجمها بدقة بواسطة النماذج الرياضية ، وهو أمر بالغ الأهمية في القياسات. بالمقارنة مع الأشكال الأخرى ، مثل المكعبات أو الأجسام غير المنتظمة ، فإن تناسق الكرة يقلل من الأخطاء ويضمن درجة عالية من الاتساق وتكرار القياسات.

إذا تم اختيار أشكال أخرى ، فإن تعقيد قياس مساحة السطح والحجم يزداد بشكل كبير ، مما يؤدي إلى تراكم المزيد من الأخطاء. بالإضافة إلى ذلك ، يقلل الشكل الكروي من تأثيرات عدم تجانس السطح ، وهو أمر ضروري لحساب العدد الدقيق للذرات.

علاوة على ذلك ، يكون شكل الكرة موحدا عند تعرضه للقوة ، مما يعني أن الكرة ليست عرضة للتشوه أثناء النقل والتخزين ، مما يضمن استقرار خصائصها الفيزيائية وعدم تغييرها. هذا الاستقرار هو الأساس اللازم لإعادة تعريف نظام SI.

عملية صنع كرات السيليكون معقدة للغاية.

أولا ، يتم عزل نظير السيليكون 9999 عن السيليكون الطبيعي. تتطلب هذه الخطوة استخدام معدات عالية الدقة مثل أجهزة الطرد المركزي الغازية لزيادة نقاء السيليكون إلى 0.0٪ لضمان جودة واستقرار المنتج النهائي.

ثم يتم ترسيب غاز السيليكون -28 عالي النقاء على بلورات البذور عن طريق ترسيب البخار الكيميائي (CVD) لزراعة سبائك سيليكون أحادية البلورية كبيرة الحجم. يجب تنفيذ هذه العملية في بيئة نظيفة للغاية لمنع إدخال الشوائب.

المصدر: 網路

بعد ذلك ، يتم تقطيع سبيكة السيليكون أحادية البلورية إلى قضبان خشنة قريبة من الشكل الكروي. تستخدم أدوات الماس عالية الدقة في عملية القطع لضمان دقة الأبعاد. يتم طحن الفراغ الخشن بدقة وصقله عدة مرات للاقتراب تدريجيا من الشكل الكروي المثالي. في هذه العملية ، يتم استخدام المواد الكاشطة وسوائل التلميع بحجم النانو لضمان أن نعومة السطح واستدارتها في أقصى حدها.

للتأكد من أن كل جزء من الكرة شبه مثالي ، يستخدم العلماء أيضا تقنيات متقدمة مثل مقاييس التداخل بالليزر وتحليل بلورات الأشعة السينية لقياسها. بناء على نتائج القياس ، يتم ضبط الكرات بدقة حتى يتم التحكم في انحرافها في نطاق النانومتر. لم تساعدهم هذه التقنيات في ضمان الشكل المثالي للكرة فحسب ، بل مهدت الطريق أيضا للتعريف اللاحق لثابت أفوجادرو عن طريق حساب عدد الذرات.

بناء على كرة السيليكون هذه ، تمكن العلماء من حساب ثابت أفوجادرو شبه المثالي بدقة ، وبالتالي توفير أساس مستقر لتعريف جديد للنظام الدولي للوحدات. وبهذه الطريقة ، فإن تعريف الكيلوغرام يزيل خطأ الانجراف لسبائك البلاتين والإيريديوم ويحقق معيارا عالميا حقا.

2018 年 11 月 16 日，法國凡爾賽宮裡，一場極具歷史意義的科學會議正在進行。在這一天，全世界的科學家們共同為一位“退位者”送行：國際千克原器——那塊在過去 139 年中定義“1 千克”的鉑銥合金圓柱體。

في مكانها ، هناك الكرة الأكثر استدارة في العالم التي تم تقديمها اليوم. أصبح تعريفا جديدا للكيلوغرام بناء على الثوابت الثابتة للطبيعة.

من زوايا الأرض إلى عالم الذرات ، لم يتوقف البشر أبدا عن السعي وراء النهائي. وكرة السيليكون هذه لا تحقق حلم الفيزياء فحسب ، بل تسمح لنا أيضا برؤية الإمكانيات اللانهائية للعلم نفسه.

هذه ليست مجرد قصة عن وحدة الكتلة ، ولكنها أيضا استكشاف للعقل البشري - سعي دؤوب للجمال المطلق ، رحلة رائعة من الجزئي إلى الكلي.

ببليوغرافيا

[1https://www.nist.gov/si-redefinition/kilogram-silicon-spheres-and-international-avogadro-project

[2https://www.scientificamerican.com/article/sphere-made-to-redefine-kilogram-has-purest-silicon-ever-created/