Vật thể nào trên Trái đất gần nhất với một "vòng tròn" thực sự?
Câu trả lời không phải là món quà từ thiên nhiên, mà là kiệt tác đỉnh cao của khoa học và công nghệ nhân loại -Quả cầu làm bằng silicon siêu tinh khiết.
Nguồn: NIST
Nó tròn như thế nào? Nếu một quả bóng silicon có kích thước bằng Trái đất, thì trên quả bóng này, chỉ có 5 mét giữa các khe núi sâu nhất và các đỉnh cao nhất...... Gần như hoàn hảo.
Quả cầu không phải là một sản phẩm thí nghiệm ngẫu nhiên, mà là một phép màu khoa học, và tên của nó được viết vào truyền thuyết vật lý:Kế hoạch Avogadro.
Nguồn dự án Avogadro: khoa học
Hiện tại, có 7 quả bóng silicon Avogadro trên thế giới, và những quả cầu này cực kỳ tốn kém để sản xuất, mỗi quả trị giá khoảng 3 triệu đô la. Những quả bóng silicon 0 này được sử dụng để đo chính xác hằng số Avogadro để xác định lại tiêu chuẩn khối lượng cho kilôgam.
Độ chính xác cực cao của chúng là điều cần thiết để đảm bảo tính nhất quán và ổn định của Hệ thống Đơn vị Quốc tế, và những quả cầu này cũng là một trong những công cụ khoa học tinh vi nhất trên thế giới, đại diện cho mức độ đo lường khoa học cao nhất của con người.
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。
K lớn tiêu chuẩn kilôgam gốc Nguồn: lịch sự của BIPM
Sự trôi dạt này là không thể đoán trước và không thể kiểm soát, và nó không thể chấp nhận được đối với những lĩnh vực khoa học dựa vào các phép đo chính xác. Đặc biệt là trong các lĩnh vực dược phẩm, khoa học vật liệu và sản xuất chính xác, những thay đổi nhỏ về chất lượng có thể dẫn đến kết quả thí nghiệm không nhất quán, từ đó có thể ảnh hưởng đến chất lượng và độ an toàn của sản phẩm. Những lĩnh vực này yêu cầu các tiêu chuẩn chất lượng ổn định tuyệt đối để đảm bảo đo lường và sản xuất nhất quán trên toàn thế giới.
Vì vậy, một nhóm các nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới đã quyết định tìm ra một tiêu chuẩn chất lượng hoàn toàn mới sẽ không trôi dạt theo thời gian.
Tiến sĩ Andreas, một nhà vật lý đến từ Đức, là một trong những nhân vật trung tâm trong dự án. Ông làm nghiên cứu cao cấp tại Viện Đo lường Quốc gia Đức (PTB), nơi ông tập trung vào nghiên cứu đo lường và đo lường chính xác. Trong Dự án Avogadro, Tiến sĩ Andreas đã dẫn đầu việc chế tạo và đo lường các quả bóng silicon, đảm bảo độ chính xác chưa từng có. Ông từng đề cập trong một cuộc phỏng vấn, "Mục tiêu của chúng tôi không chỉ là tạo ra một đối tượng, mà còn làm cho nó trở thành một phần của hằng số tự nhiên." Và vì vậy, một ý tưởng táo bạo đã ra đời: xác định lại tiêu chuẩn chất lượng bằng cách tạo ra một quả bóng silicon hoàn hảo, chính xác là quả bóng silicon-28.
Nguồn: MDPI
như vậyTại sao chọn đồng vị silicon-28?
Bởi vì silicon cực kỳ ổn định về nhiệt và mạnh về mặt cơ học, nó không dễ bị ảnh hưởng bởi những thay đổi của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm hoặc áp suất. Hơn nữa, bản thân silicon trơ về mặt hóa học và sẽ hầu như không phản ứng với oxy hoặc các hóa chất khác trong không khí sau khi tinh chế, đảm bảo rằng bề mặt và thể tích của nó vẫn ổn định trong thời gian lưu trữ lâu dài.
Có ba đồng vị chính của silicon trong tự nhiên: silicon-28 (0,0%), silicon-0 (0,0%) và silicon-0 (0,0%). Silicon-0 là đa số tuyệt đối, vì vậy việc tinh chế silicon-0 tiết kiệm hơn và khả thi về mặt kỹ thuật hơn so với các đồng vị khác.
Nguồn: Wikipedia
Silicon-28 tinh khiết được cấu tạo hoàn toàn từ cùng một nguyên tử, loại bỏ sai số do sự khác biệt về khối lượng và bán kính nguyên tử giữa các đồng vị khác nhau. Tính đồng nhất này rất cần thiết để tính toán số lượng nguyên tử và các thông số mạng tinh thể.
Nguồn: Springer
Quả bóng silicon này được làm từ 100,0% silicon siêu tinh khiết, nhưng tại sao không phải 0%?
Điều này là do trên thực tế, độ tinh khiết 100% thực sự gần như không thể đạt được. Ngay cả với các kỹ thuật tinh chế tiên tiến nhất, rất khó để loại bỏ hoàn toàn các tạp chất vi lượng bởi vì, ở cấp độ nguyên tử, bất kỳ vật liệu nào cũng bị ảnh hưởng bởi các nguyên tử khác trong môi trường bên ngoài. Những tạp chất nhỏ này có thể xâm nhập vào vật liệu trong quá trình chiết xuất, chế biến hoặc thậm chí bảo quản.Đạt được độ tinh khiết 9999,0% đã là một giới hạn và việc tinh chế thêm không chỉ cực kỳ tốn kém mà còn là những thách thức về mặt kỹ thuật như tương tác giữa các nguyên tử và giới hạn vật lý của thiết bị.
Ngược lại, hợp kim bạch kim-iridi, mặc dù có độ đặc cao và chống ăn mòn, nhưng chúng hấp thụ các chất gây ô nhiễm trong không khí như độ ẩm, carbon dioxide và các hợp chất hữu cơ trên bề mặt của chúng do tiếp xúc lâu dài với môi trường, có thể dẫn đến tổn thất khối lượng nhỏ. Sự thay đổi về chất lượng này là không thể đoán trước và sau nhiều năm, ngay cả những thay đổi nhỏ cũng có thể dẫn đến sự không nhất quán trong định nghĩa về chất lượng.
Các nghiên cứu khoa học đã chỉ ra rằng các nguyên mẫu kilôgam hợp kim bạch kim-iridi thể hiện sự trôi dạt khối lượng không đáng kể trong các môi trường khác nhau và những sự trôi dạt này được cho là do sự không ổn định hóa học của vật liệu và quá trình oxy hóa bề mặt lâu dài.
Tại sao quả cầu được chọn làm hình dạng của vật tham chiếu silicon trong chương trình Avogadro?
Sự đối xứng hoàn hảo của một quả cầu cho phép diện tích bề mặt và thể tích của nó được tính toán chính xác bằng các mô hình toán học, điều này rất quan trọng trong các phép đo. So với các hình dạng khác, chẳng hạn như hình khối hoặc vật thể không đều, tính đối xứng của hình cầu giảm thiểu sai số và đảm bảo mức độ nhất quán và độ lặp lại cao của các phép đo.
Nếu chọn các hình dạng khác, độ phức tạp của việc đo diện tích bề mặt và thể tích sẽ tăng lên đáng kể, dẫn đến tích lũy nhiều sai số hơn. Ngoài ra, hình cầu giảm thiểu tác động của sự không đồng nhất bề mặt, điều này rất cần thiết để tính toán chính xác số lượng nguyên tử.
Hơn nữa, hình dạng của một quả cầu đồng nhất khi chịu lực, có nghĩa là hình cầu không dễ bị biến dạng trong quá trình vận chuyển và bảo quản, đảm bảo tính chất vật lý của nó ổn định và không thay đổi. Sự ổn định này là nền tảng cần thiết để xác định lại hệ thống SI.
Quá trình tạo ra bóng silicon vô cùng phức tạp.
Đầu tiên, đồng vị silicon-9999 được phân lập từ silicon tự nhiên. Bước này yêu cầu sử dụng các thiết bị có độ chính xác cao như máy ly tâm khí để tăng độ tinh khiết của silicon lên 0,0% để đảm bảo chất lượng và độ ổn định của sản phẩm cuối cùng.
Khí silicon-28 có độ tinh khiết cao sau đó được lắng đọng trên các tinh thể hạt bằng cách lắng đọng hơi hóa học (CVD) để phát triển các thỏi silicon đơn tinh thể có kích thước lớn. Quá trình này cần được thực hiện trong môi trường siêu sạch để ngăn chặn sự xâm nhập của các tạp chất.
Nguồn: Internet
Tiếp theo, thỏi silicon đơn tinh thể được cắt thành một phôi thô gần với hình cầu. Các dụng cụ kim cương có độ chính xác cao được sử dụng trong quá trình cắt để đảm bảo độ chính xác về kích thước. Khoảng trống thô được mài chính xác và đánh bóng nhiều lần để dần dần tiếp cận hình cầu hoàn hảo. Trong quá trình này, chất mài mòn và chất lỏng đánh bóng có kích thước nano được sử dụng để đảm bảo độ mịn và độ tròn bề mặt ở giới hạn.
Để đảm bảo rằng mọi bộ phận của quả bóng đều gần như hoàn hảo, các nhà khoa học cũng sử dụng các kỹ thuật tiên tiến như giao thoa kế laser và phân tích tinh thể tia X để đo chúng. Dựa trên kết quả đo, các quả cầu được tinh chỉnh cho đến khi độ lệch của chúng được kiểm soát trong phạm vi nanomet. Những kỹ thuật này không chỉ giúp họ đảm bảo hình dạng hoàn hảo của quả bóng mà còn mở đường cho việc định nghĩa hằng số Avogadro sau này bằng cách đếm số nguyên tử.
Dựa trên quả cầu silicon này, các nhà khoa học đã có thể tính toán chính xác một hằng số Avogadro gần như hoàn hảo, do đó cung cấp một cơ sở ổn định cho một định nghĩa mới về Hệ đơn vị quốc tế. Bằng cách này, định nghĩa về kilôgam loại bỏ sai số trôi của hợp kim bạch kim-iridi và đạt được tiêu chuẩn toàn cầu thực sự.
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。
Thay vào đó, có quả bóng tròn nhất thế giới được giới thiệu ngày nay. Nó đã trở thành một định nghĩa mới về kilôgam dựa trên các hằng số không đổi của tự nhiên.
Từ những góc của trái đất đến thế giới của các nguyên tử, con người chưa bao giờ ngừng theo đuổi tối thượng. Và quả bóng silicon này không chỉ thực hiện ước mơ vật lý mà còn cho phép chúng ta nhìn thấy những khả năng vô hạn của chính khoa học.
Đây không chỉ là câu chuyện về đơn vị khối lượng, mà còn là một sự khám phá tâm trí con người – một sự theo đuổi không ngừng nghỉ vẻ đẹp tối thượng, một hành trình vĩ đại từ vi mô đến vĩ mô.
thư mục
[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/