Quel objet sur Terre est le plus proche d’un véritable « cercle » ?

La réponse n’est pas un don de la nature, mais le chef-d’œuvre suprême de la science et de la technologie humaines.Sphères en silicium ultra-pur.

Source : NIST

Quelle est sa rondeur ? Si une boule de silicium a la taille de la Terre, alors sur cette boule, il n’y a que 5 mètre entre les ravins les plus profonds et les plus hauts sommets...... Presque parfait.

La sphère n’est pas un produit expérimental aléatoire, mais un miracle scientifique, et son nom est inscrit dans la légende de la physique :Plan Avogadro.

Projet Avogadro Source : sci-galary

Actuellement, il y a 7 boules de silicium Avogadro dans le monde, et ces sphères sont extrêmement chères à fabriquer, chacune valant environ 3 millions de dollars. Ces billes de silicium 0 ont été utilisées pour mesurer avec précision la constante d’Avogadro afin de redéfinir l’étalon de masse pour les kilogrammes.

Leur extrême précision est essentielle pour assurer la cohérence et la stabilité du Système international d’unités, et ces sphères sont également parmi les instruments scientifiques les plus sophistiqués au monde, représentant le plus haut niveau de mesure scientifique humaine.

这个故事要从上世纪九十年代开始讲起。国际单位制的定义当时面临着一场前所未有的危机：原始的公斤标准——一个存放在巴黎的由铂铱合金制成的圆柱体，随着时间的推移出现了微小的质量变化。简言之，1 千克不再是 1 千克了，它不准了。

Kilogramme d’origine standard grand K Source : avec l’aimable autorisation du BIPM

Cette dérive est imprévisible et incontrôlable, et elle est inacceptable pour les domaines scientifiques qui reposent sur des mesures précises. En particulier dans les domaines de la pharmacie, de la science des matériaux et de la fabrication de précision, de petits changements de qualité peuvent conduire à des résultats expérimentaux incohérents, ce qui peut à son tour affecter la qualité et la sécurité du produit. Ces domaines nécessitent des normes de qualité absolument stables pour garantir une mesure et une production cohérentes dans le monde entier.

Ainsi, un groupe de scientifiques du monde entier a décidé de trouver une toute nouvelle norme de qualité qui ne dériverait pas avec le temps.

Le Dr Andreas, un physicien allemand, est l’une des figures centrales du projet. Il a travaillé en tant que chercheur principal à l’Institut national allemand de métrologie (PTB), où il s’est concentré sur la mesure de précision et la recherche en métrologie. Dans le cadre du projet Avogadro, le Dr Andreas a dirigé la fabrication et la mesure de billes de silicium, assurant une précision sans précédent. Il a mentionné un jour dans une interview : « Notre objectif n’est pas seulement de fabriquer un objet, mais de l’intégrer à la constante naturelle. » C’est ainsi qu’est née une idée audacieuse : redéfinir le standard de qualité en fabriquant une boule de silicium parfaite, une boule de silicium-28 pour être exact.

Source : MDPI

ainsiPourquoi choisir les isotopes du silicium-28 ?

Parce que le silicium est extrêmement stable thermiquement et mécaniquement solide, il n’est pas sensible aux changements environnementaux tels que la température, l’humidité ou la pression. De plus, le silicium lui-même est chimiquement inerte et réagit à peine avec l’oxygène ou d’autres produits chimiques présents dans l’air après la purification, ce qui garantit que sa surface et son volume restent stables lors d’un stockage à long terme.

Il existe trois isotopes principaux du silicium dans la nature : le silicium-28 (0,0 %), le silicium-0 (0,0 %) et le silicium-0 (0,0 %). Le silicium-0 est la majorité absolue, de sorte que la purification du silicium-0 est plus économique et techniquement réalisable que les autres isotopes.

Source : Wikipédia

Le silicium-28 purifié est entièrement composé du même atome, éliminant ainsi l’erreur causée par la différence de masse et de rayon atomique entre différents isotopes. Cette uniformité est essentielle pour calculer le nombre d’atomes et les paramètres du réseau.

Source : Springer

Cette bille de silicium est composée à 100,0 % de silicium ultra-pur, mais pourquoi pas à 0 % ?

En effet, en réalité, il est presque impossible d’atteindre une véritable pureté de 100 %. Même avec les techniques de purification les plus avancées, il est difficile d’éliminer complètement les impuretés à l’état de traces car, au niveau atomique, tout matériau est affecté par d’autres atomes dans l’environnement extérieur. Ces minuscules impuretés peuvent pénétrer dans le matériau lors de l’extraction, du traitement ou même du stockage.Atteindre une pureté de 9999,0 % est déjà une limite, et la purification supplémentaire est non seulement extrêmement coûteuse, mais aussi des défis techniques tels que les interactions interatomiques et les limites physiques du dispositif.

En revanche, les alliages platine-iridium, bien qu’ils soient très denses et résistants à la corrosion, absorbent les contaminants en suspension dans l’air tels que l’humidité, le dioxyde de carbone et les composés organiques à leur surface en raison de l’exposition à long terme à l’environnement, ce qui peut entraîner de petites pertes de masse. Ce changement de qualité est imprévisible et, après de nombreuses années, même de petits changements peuvent entraîner des incohérences dans la définition de la qualité.

Des études scientifiques ont montré que les prototypes de kilogrammes d’alliage platine-iridium présentent des dérives de masse non négligeables dans différents environnements, et on pense que ces dérives sont dues à l’instabilité chimique du matériau et à l’oxydation de surface à long terme.

Pourquoi la sphère a-t-elle été choisie comme forme de l’objet de référence en silicium dans le programme Avogadro ?

La symétrie parfaite d’une sphère permet de calculer avec précision sa surface et son volume à l’aide de modèles mathématiques, ce qui est crucial dans les mesures. Par rapport à d’autres formes, telles que des cubes ou des objets irréguliers, la symétrie de la sphère minimise les erreurs et assure un haut degré de cohérence et de répétabilité des mesures.

Si d’autres formes sont choisies, la complexité de la mesure de la surface et du volume augmente considérablement, ce qui entraîne une plus grande accumulation d’erreurs. De plus, la forme sphérique minimise les effets des inhomogénéités de surface, ce qui est essentiel pour calculer le nombre exact d’atomes.

De plus, la forme d’une sphère est uniforme lorsqu’elle est soumise à une force, ce qui signifie que la sphère n’est pas sujette à la déformation pendant le transport et le stockage, ce qui garantit que ses propriétés physiques sont stables et inchangées. Cette stabilité est la base nécessaire pour redéfinir le système SI.

Le processus de fabrication des billes de silicium est extrêmement complexe.

Tout d’abord, l’isotope du silicium 9999 est isolé du silicium naturel. Cette étape nécessite l’utilisation d’équipements de haute précision tels que des centrifugeuses à gaz pour augmenter la pureté du silicium à 0,0 % afin d’assurer la qualité et la stabilité du produit final.

Le gaz de silicium-28 de haute pureté est ensuite déposé sur les cristaux de graine par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour faire croître des lingots de silicium monocristallin de grande taille. Ce processus doit être effectué dans un environnement ultra-propre pour éviter l’introduction d’impuretés.

Source : Internet

Ensuite, le lingot de silicium monocristallin est découpé en une billette rugueuse qui est proche de la forme sphérique. Des outils diamantés de haute précision sont utilisés dans le processus de coupe pour assurer la précision dimensionnelle. L’ébauche brute est rectifiée avec précision et polie plusieurs fois pour se rapprocher progressivement de la forme sphérique parfaite. Dans ce processus, des abrasifs et des fluides de polissage de taille nanométrique sont utilisés pour garantir que la douceur et la rondeur de la surface sont à leur limite.

Pour s’assurer que chaque partie de la balle est presque parfaite, les scientifiques utilisent également des techniques avancées telles que des interféromètres laser et l’analyse des cristaux de rayons X pour les mesurer. Sur la base des résultats de mesure, les sphères sont affinées jusqu’à ce que leur déviation soit contrôlée dans la gamme nanométrique. Ces techniques les ont non seulement aidés à assurer la forme parfaite de la balle, mais ont également ouvert la voie à la définition ultérieure de la constante d’Avogadro en comptant le nombre d’atomes.

Sur la base de cette sphère de silicium, les scientifiques ont pu calculer avec précision une constante d’Avogadro presque parfaite, fournissant ainsi une base stable pour une nouvelle définition du Système international d’unités. De cette façon, la définition du kilogramme élimine l’erreur de dérive des alliages platine-iridium et permet d’atteindre une norme véritablement mondiale.

2018 年 11 月 16 日，法国凡尔赛宫里，一场极具历史意义的科学会议正在进行。在这一天，全世界的科学家们共同为一位“退位者”送行：国际千克原器——那块在过去 139 年中定义“1 千克”的铂铱合金圆柱体。

À sa place, il y a la boule la plus ronde du monde introduite aujourd’hui. C’est devenu une nouvelle définition du kilogramme basée sur les constantes constantes de la nature.

Des coins de la terre au monde des atomes, les êtres humains n’ont jamais cessé de poursuivre l’ultime. Et cette boule de silicium réalise non seulement le rêve de la physique, mais nous permet également de voir les possibilités infinies de la science elle-même.

Il ne s’agit pas seulement d’une histoire sur l’unité de masse, mais aussi d’une exploration de l’esprit humain – une poursuite incessante de la beauté ultime, un grand voyage du micro au macro.

bibliographie

[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/ (en anglais seulement)