วัตถุใดบนโลกที่อยู่ใกล้กับ "วงกลม" ที่แท้จริงมากที่สุด?

คําตอบไม่ใช่ของขวัญจากธรรมชาติ แต่เป็นผลงานชิ้นเอกสูงสุดของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของมนุษย์ทรงกลมทําจากซิลิกอนบริสุทธิ์พิเศษ

ที่มา: nist

มันกลมแค่ไหน? หากลูกบอลซิลิกอนมีขนาดเท่ากับโลกบนลูกบอลนี้มีเพียง 5 เมตรระหว่างหุบเขาที่ลึกที่สุดกับยอดเขาที่สูงที่สุด...... เกือบสมบูรณ์แบบ

ทรงกลมไม่ใช่ผลิตภัณฑ์ทดลองแบบสุ่ม แต่เป็นปาฏิหาริย์ทางวิทยาศาสตร์ และชื่อของมันถูกเขียนไว้ในตํานานฟิสิกส์:แผน Avogadro

ที่มาของโครงการ Avogadro: sci-galary

ปัจจุบันมีลูกบอลซิลิกอน Avogadro 7 ลูกในโลกและทรงกลมเหล่านี้มีราคาแพงมากในการผลิตแต่ละลูกมีมูลค่าประมาณ 3 ล้านเหรียญ ลูกบอลซิลิกอน 0 ลูกเหล่านี้ถูกนํามาใช้เพื่อวัดค่าคงที่ Avogadro อย่างแม่นยําเพื่อกําหนดมาตรฐานมวลสําหรับกิโลกรัมใหม่

ความแม่นยําสูงสุดเป็นสิ่งสําคัญเพื่อให้มั่นใจถึงความสม่ําเสมอและความเสถียรของระบบหน่วยระหว่างประเทศ และทรงกลมเหล่านี้ยังเป็นหนึ่งในเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ที่ซับซ้อนที่สุดในโลก ซึ่งแสดงถึงการวัดทางวิทยาศาสตร์ของมนุษย์ในระดับสูงสุด

這個故事要從上世紀九十年代開始講起。國際單位制的定義當時面臨著一場前所未有的危機：原始的公斤標準——一個存放在巴黎的由鉑銥合金製成的圓柱體，隨著時間的推移出現了微小的質量變化。簡言之，1 千克不再是 1 千克了，它不準了。

原的公斤標準大 K 圖源:courtesy of BIPM

การล่องลอยนี้คาดเดาไม่ได้และไม่สามารถควบคุมได้ และเป็นที่ยอมรับไม่ได้สําหรับสาขาวิทยาศาสตร์ที่อาศัยการวัดที่แม่นยํา โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านเภสัชกรรมวัสดุศาสตร์และการผลิตที่มีความแม่นยําการเปลี่ยนแปลงคุณภาพเพียงเล็กน้อยอาจนําไปสู่ผลการทดลองที่ไม่สอดคล้องกันซึ่งอาจส่งผลต่อคุณภาพและความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ พื้นที่เหล่านี้ต้องการมาตรฐานคุณภาพที่มั่นคงอย่างแท้จริงเพื่อให้แน่ใจว่าการวัดและการผลิตมีความสม่ําเสมอทั่วโลก

ดังนั้นกลุ่มนักวิทยาศาสตร์จากทั่วทุกมุมโลกจึงตัดสินใจค้นหามาตรฐานคุณภาพใหม่ทั้งหมดที่จะไม่ล่องลอยไปตามกาลเวลา

德國的物理學家安德列亞斯博士，是這項計畫的核心人物之一。他曾在德國國家計量研究院（PTB）擔任高級研究員，專注於精密測量和計量學研究。在阿伏伽德羅計劃中，安德列亞斯博士領導了矽球的製造和測量工作，確保其達到前所未有的精度。他曾在採訪中提到過，“我們的目標不僅僅是製造一個物體，而是要讓它成為自然常數的一部分。”於是，一個大胆的設想誕生了：通過製造一個完美的矽球來重新定義質量標準，準確來說是矽-28 球。

ที่มา: MDPI

ในกรณีนั้นทําไมต้องเลือกไอโซโทปซิลิกอน-28?

เนื่องจากซิลิกอนมีความเสถียรทางความร้อนสูงและแข็งแรงทางกลไกจึงไม่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อมเช่นอุณหภูมิความชื้นหรือความดัน ยิ่งไปกว่านั้นซิลิกอนเองมีความเฉื่อยทางเคมีและแทบจะไม่ทําปฏิกิริยากับออกซิเจนหรือสารเคมีอื่น ๆ ในอากาศหลังการทําให้บริสุทธิ์ทําให้มั่นใจได้ว่าพื้นผิวและปริมาตรยังคงมีเสถียรภาพในการจัดเก็บในระยะยาว

ไอโซโทปหลักของซิลิกอนสามชนิดที่พบในธรรมชาติ ได้แก่ ซิลิกอน-28 (0.0%) ซิลิกอน-0 (0.0%) และซิลิกอน-0 (0.0%) ซิลิกอน-0 เป็นส่วนใหญ่ ดังนั้นการทําให้บริสุทธิ์ซิลิกอน-0 จึงประหยัดและเป็นไปได้ทางเทคนิคมากกว่าไอโซโทปอื่นๆ

ที่มา: Wikipedia

ซิลิกอนบริสุทธิ์-28 ประกอบด้วยอะตอมเดียวกันทั้งหมดขจัดข้อผิดพลาดที่เกิดจากความแตกต่างของมวลและรัศมีอะตอมระหว่างไอโซโทปที่แตกต่างกัน ความสม่ําเสมอนี้จําเป็นสําหรับการคํานวณจํานวนอะตอมและพารามิเตอร์ตาข่าย

ที่มา: สปริงเกอร์

ลูกบอลซิลิกอนนี้ทําจากซิลิกอนบริสุทธิ์พิเศษ 100.0% แต่ทําไมไม่ 0%?

นี่เป็นเพราะในความเป็นจริงความบริสุทธิ์ 100% ที่แท้จริงแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะบรรลุ แม้จะใช้เทคนิคการทําให้บริสุทธิ์ที่ทันสมัยที่สุด แต่ก็ยากที่จะกําจัดสิ่งสกปรกที่ลดลงอย่างสมบูรณ์ เนื่องจากในระดับอะตอม วัสดุใดๆ ก็ได้รับผลกระทบจากอะตอมอื่นๆ ในสภาพแวดล้อมภายนอก สิ่งสกปรกขนาดเล็กเหล่านี้สามารถเข้าสู่วัสดุในระหว่างการสกัด การแปรรูป หรือแม้แต่การเก็บรักษาการบรรลุความบริสุทธิ์ 9999.0% เป็นขีดจํากัดอยู่แล้ว และการทําให้บริสุทธิ์เพิ่มเติมไม่เพียงแต่มีค่าใช้จ่ายสูงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความท้าทายทางเทคนิค เช่น ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมและขีดจํากัดทางกายภาพของอุปกรณ์

ในทางตรงกันข้ามโลหะผสมแพลตตินั่มอิริเดียมแม้ว่าจะมีความหนาแน่นสูงและทนต่อการกัดกร่อน แต่ก็ดูดซับสารปนเปื้อนในอากาศเช่นความชื้นคาร์บอนไดออกไซด์และสารประกอบอินทรีย์บนพื้นผิวเนื่องจากการสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมเป็นเวลานานซึ่งอาจนําไปสู่การสูญเสียมวลเล็กน้อย การเปลี่ยนแปลงด้านคุณภาพนี้ไม่สามารถคาดเดาได้ และในช่วงหลายปีที่ผ่านมา แม้แต่การเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยก็สามารถนําไปสู่ความไม่สอดคล้องกันในคําจํากัดความของคุณภาพได้

การศึกษาทางวิทยาศาสตร์แสดงให้เห็นว่าต้นแบบกิโลกรัมโลหะผสมแพลตตินั่มอิริเดียมแสดงการล่องลอยของมวลที่ไม่สําคัญในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันและการดริฟท์เหล่านี้คิดว่าเกิดจากความไม่เสถียรทางเคมีของวัสดุและการเกิดออกซิเดชันของพื้นผิวในระยะยาว

เหตุใดทรงกลมจึงถูกเลือกให้เป็นรูปร่างของวัตถุอ้างอิงซิลิกอนในโปรแกรม Avogadro

ความสมมาตรที่สมบูรณ์แบบของทรงกลมช่วยให้สามารถคํานวณพื้นที่ผิวและปริมาตรได้อย่างแม่นยําโดยแบบจําลองทางคณิตศาสตร์ ซึ่งมีความสําคัญในการวัด เมื่อเทียบกับรูปร่างอื่นๆ เช่น ลูกบาศก์หรือวัตถุที่ไม่สม่ําเสมอ ความสมมาตรของทรงกลมช่วยลดข้อผิดพลาดและช่วยให้มั่นใจได้ถึงความสม่ําเสมอและความสามารถในการทําซ้ําของการวัดในระดับสูง

หากเลือกรูปร่างอื่นความซับซ้อนของการวัดพื้นที่ผิวและปริมาตรจะเพิ่มขึ้นอย่างมากส่งผลให้เกิดการสะสมข้อผิดพลาดมากขึ้น นอกจากนี้ รูปทรงกลมยังช่วยลดผลกระทบของความไม่สม่ําเสมอของพื้นผิว ซึ่งจําเป็นสําหรับการคํานวณจํานวนอะตอมที่แน่นอน

ยิ่งไปกว่านั้นรูปร่างของทรงกลมจะสม่ําเสมอเมื่ออยู่ภายใต้แรงซึ่งหมายความว่าทรงกลมไม่มีแนวโน้มที่จะเสียรูประหว่างการขนส่งและการเก็บรักษาทําให้มั่นใจได้ว่าคุณสมบัติทางกายภาพของมันมีความเสถียรและไม่เปลี่ยนแปลง ความมั่นคงนี้เป็นรากฐานที่จําเป็นในการกําหนดระบบ SI ใหม่

กระบวนการทําลูกซิลิกอนนั้นซับซ้อนมาก

ขั้นแรก ไอโซโทปซิลิกอน-9999 ถูกแยกออกจากซิลิกอนธรรมชาติ ขั้นตอนนี้ต้องใช้อุปกรณ์ที่มีความแม่นยําสูง เช่น เครื่องหมุนเหวี่ยงแก๊สเพื่อเพิ่มความบริสุทธิ์ของซิลิกอนเป็น 0.0% เพื่อให้มั่นใจในคุณภาพและความเสถียรของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

ก๊าซซิลิกอน-28 ที่มีความบริสุทธิ์สูงจะถูกสะสมบนผลึกเมล็ดโดยการสะสมไอเคมี (CVD) เพื่อปลูกแท่งซิลิกอนโมโนคัลไลน์ขนาดใหญ่ กระบวนการนี้ต้องดําเนินการในสภาพแวดล้อมที่สะอาดเป็นพิเศษเพื่อป้องกันการนําเข้าของสิ่งสกปรก

ที่มา: 網路

จากนั้นแท่งซิลิกอนโมโนคริสตัลไลน์จะถูกตัดเป็นเหล็กแท่งหยาบที่ใกล้เคียงกับรูปทรงกลม เครื่องมือเพชรที่มีความแม่นยําสูงถูกนํามาใช้ในกระบวนการตัดเพื่อให้มั่นใจถึงความแม่นยําของมิติ ช่องว่างหยาบถูกบดอย่างแม่นยําและขัดเงาหลายครั้งเพื่อค่อยๆ เข้าใกล้รูปทรงกลมที่สมบูรณ์แบบ ในกระบวนการนี้ จะใช้สารกัดกร่อนขนาดนาโนและน้ํายาขัดเงาเพื่อให้แน่ใจว่าความเรียบและความกลมของพื้นผิวอยู่ที่ขีดจํากัด

เพื่อให้แน่ใจว่าทุกส่วนของลูกบอลเกือบสมบูรณ์แบบนักวิทยาศาสตร์ยังใช้เทคนิคขั้นสูงเช่นเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์และการวิเคราะห์ผลึกเอ็กซ์เรย์เพื่อวัด จากผลการวัด ทรงกลมจะถูกปรับอย่างละเอียดจนกว่าจะควบคุมความเบี่ยงเบนในช่วงนาโนเมตร เทคนิคเหล่านี้ไม่เพียงแต่ช่วยให้พวกเขามั่นใจได้ถึงรูปร่างที่สมบูรณ์แบบของลูกบอล แต่ยังปูทางไปสู่การกําหนดค่าคงที่ของ Avogadro ในภายหลังโดยการนับจํานวนอะตอม

จากทรงกลมซิลิกอนนี้นักวิทยาศาสตร์สามารถคํานวณค่าคงที่ Avogadro ที่เกือบสมบูรณ์แบบได้อย่างแม่นยําจึงเป็นพื้นฐานที่มั่นคงสําหรับคําจํากัดความใหม่ของระบบหน่วยสากล ด้วยวิธีนี้คําจํากัดความของกิโลกรัมจะช่วยขจัดข้อผิดพลาดในการดริฟท์ของโลหะผสมแพลตตินั่ม-อิริเดียมและบรรลุมาตรฐานระดับโลกอย่างแท้จริง

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。

แทนที่มีลูกบอลที่กลมที่สุดในโลกที่แนะนําในปัจจุบัน มันกลายเป็นคําจํากัดความใหม่ของกิโลกรัมตามค่าคงที่ของธรรมชาติ

จากมุมโลกสู่โลกแห่งอะตอมมนุษย์ไม่เคยหยุดแสวงหาสุดยอด และลูกบอลซิลิกอนนี้ไม่เพียง แต่เติมเต็มความฝันของฟิสิกส์ แต่ยังช่วยให้เราเห็นความเป็นไปได้ที่ไม่มีที่สิ้นสุดของวิทยาศาสตร์อีกด้วย

นี่ไม่ใช่แค่เรื่องราวเกี่ยวกับหน่วยมวล แต่ยังเป็นการสํารวจจิตใจของมนุษย์ – การแสวงหาความงามสูงสุดอย่างไม่หยุดยั้งการเดินทางที่ยอดเยี่ยมจากจุลภาคสู่มหภาค

บรรณานุกรม

[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/