Dies ist das rundeste Objekt der Welt, es ist mehrere zehn Millionen wert und seine Existenz kann die Welt verändern

Welches Objekt auf der Erde kommt einem echten „Kreis“ am nächsten?

Die Antwort ist kein Geschenk der Natur, sondern der Höhepunkt menschlicher Technologie – eine Kugel aus ultrareinem Silizium.

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Wie rund ist es? Wenn die Siliziumkugel so groß wie die Erde wäre, würde der Abstand zwischen der tiefsten Schlucht und dem höchsten Berg auf der Kugel nur 5 Meter betragen ... fast perfekt.

Diese Kugel war kein zufälliges experimentelles Produkt, sondern ein wissenschaftliches Wunder, dessen Name in die Legende der Physik einging: das Avogadro-Projekt.

Avogadro-Projekt Quelle: sci-galary

Derzeit gibt es weltweit sieben Siliziumkugeln des Avogadro-Projekts. Die Herstellung dieser Kugeln ist extrem teuer; jede Kugel kostet etwa drei Millionen US-Dollar. Diese sieben Siliziumkugeln wurden verwendet, um die Avogadro-Konstante genau zu messen und so den Massestandard des Kilogramms neu zu definieren.

Ihre extrem hohe Präzision ist für die Gewährleistung der Konsistenz und Stabilität des Internationalen Einheitensystems von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus gehören diese Kugeln zu den modernsten wissenschaftlichen Instrumenten der Welt und stellen den höchsten Grad menschlicher Errungenschaft im Bereich wissenschaftlicher Messungen dar.
Diese Geschichte beginnt in den 1990er Jahren. Die Definition des Internationalen Einheitensystems befand sich damals in einer beispiellosen Krise: Der ursprüngliche Kilogrammstandard – ein in Paris gelagerter Zylinder aus einer Platin-Iridium-Legierung – hatte im Laufe der Zeit geringfügige Masseänderungen erfahren. Kurz gesagt: 1 Kilogramm ist nicht mehr 1 Kilogramm, es ist nicht mehr genau.

Das ursprüngliche Kilogramm-Standard (Big K) Bildquelle: mit freundlicher Genehmigung von BIPM

Diese Drift ist unvorhersehbar und unkontrollierbar, was für wissenschaftliche Bereiche, die auf präzise Messungen angewiesen sind, inakzeptabel ist. Insbesondere in Bereichen wie der Pharmazie, den Materialwissenschaften und der Präzisionsfertigung können geringfügige Qualitätsänderungen zu inkonsistenten Versuchsergebnissen führen, was wiederum die Produktqualität und -sicherheit beeinträchtigt. In diesen Bereichen sind absolut konstante Qualitätsstandards erforderlich, um weltweit eine einheitliche Messung und Produktion zu gewährleisten.

Daher beschloss eine Gruppe von Wissenschaftlern aus aller Welt, einen neuen Qualitätsstandard zu finden, der sich im Laufe der Zeit nicht verändert.

Dr. Andreas, ein deutscher Physiker, ist eine der Schlüsselfiguren dieses Projekts. Er arbeitete als leitender Forscher an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und konzentrierte sich auf die Präzisionsmessung und Metrologieforschung. Im Rahmen des Avogadro-Projekts leitete Dr. Andreas die Herstellung und Messung der Siliziumkugeln mit beispielloser Präzision. In einem Interview sagte er einmal: „Unser Ziel ist es nicht nur, ein Objekt zu schaffen, sondern es zu einem Teil der Naturkonstante zu machen.“ So entstand eine kühne Idee: den Qualitätsstandard neu zu definieren, indem ein perfekter Siliziumball hergestellt wird, genauer gesagt ein Silizium-28-Ball.

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Warum also das Silizium-28-Isotop wählen?

Da Silizium eine extrem hohe thermische Stabilität und mechanische Festigkeit aufweist, wird es durch Umweltveränderungen wie Temperatur, Feuchtigkeit oder Druck nicht so leicht beeinträchtigt. Darüber hinaus weist Silizium selbst eine gute chemische Inertheit auf. Nach der Reinigung reagiert es kaum mit Sauerstoff oder anderen Chemikalien in der Luft, wodurch sichergestellt wird, dass seine Oberfläche und sein Volumen bei langfristiger Lagerung stabil bleiben.

Silizium kommt in der Natur in drei Hauptisotopen vor: Silizium-28 (92,23 %), Silizium-29 (4,67 %) und Silizium-30 (3,10 %). Silizium-28 macht den überwiegenden Anteil aus, daher ist seine Reinigung wirtschaftlicher und technisch machbarer als bei anderen Isotopen.

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Das gereinigte Silizium-28 besteht vollständig aus Atomen desselben Typs, wodurch die durch Unterschiede in Masse und Atomradius zwischen verschiedenen Isotopen verursachten Fehler eliminiert werden. Diese Einheitlichkeit ist für die Berechnung der Atomzahl und der Gitterparameter von entscheidender Bedeutung.

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Diese Siliziumkugel besteht zu 99,9999 % aus ultrareinem Silizium, aber warum nicht zu 100 %?

Dies liegt daran, dass es in der Realität fast unmöglich ist, eine echte Reinheit von 100 % zu erreichen. Selbst mit der fortschrittlichsten Reinigungstechnologie ist es schwierig, Spuren von Verunreinigungen vollständig zu beseitigen, da jedes Material auf atomarer Ebene von anderen Atomen in der äußeren Umgebung beeinflusst wird. Diese winzigen Verunreinigungen können während der Gewinnung, Verarbeitung und sogar Lagerung in das Material gelangen. Das Erreichen einer Reinheit von 99,9999 % ist bereits eine Grenze. Eine weitere Reinigung ist nicht nur extrem kostspielig, sondern birgt auch technische Herausforderungen wie interatomare Wechselwirkungen und physikalische Grenzen der Geräte.

Im Vergleich dazu weist eine Platin-Iridium-Legierung zwar eine hohe Dichte und Korrosionsbeständigkeit auf, ihre Oberfläche absorbiert jedoch aufgrund langfristiger Umwelteinwirkung Schadstoffe aus der Luft, wie Feuchtigkeit, Kohlendioxid und organische Verbindungen, was zu einem leichten Masseverlust führt. Diese Qualitätsveränderung ist unvorhersehbar und über viele Jahre hinweg können selbst kleine Veränderungen zu Inkonsistenzen in der Definition von Qualität führen.

Wissenschaftliche Untersuchungen haben ergeben, dass der Kilogramm-Prototyp aus einer Platin-Iridium-Legierung in unterschiedlichen Umgebungen eine nicht zu vernachlässigende Massendrift aufweist. Diese Driften werden vermutlich durch die chemische Instabilität des Materials und eine langfristige Oberflächenoxidation verursacht.

Warum wurde im Avogadro-Projekt eine Kugel als Form des Silizium-Benchmark-Objekts gewählt?

Die Kugel weist eine perfekte Symmetrie auf, die eine genaue Berechnung ihrer Oberfläche und ihres Volumens mithilfe mathematischer Modelle ermöglicht, was bei Messungen von entscheidender Bedeutung ist. Im Vergleich zu anderen Formen, wie Würfeln oder unregelmäßigen Objekten, minimiert die Symmetrie einer Kugel Fehler und gewährleistet äußerst konsistente und wiederholbare Messungen.

Bei der Wahl anderer Formen erhöht sich die Komplexität der Oberflächen- und Volumenmessung erheblich, was zu einer höheren Fehlerhäufigkeit führt. Darüber hinaus minimiert die Kugelform die Auswirkungen von Oberflächeninhomogenitäten, was für die Berechnung der genauen Atomanzahl entscheidend ist.

Noch wichtiger ist, dass die Form einer Kugel unter Krafteinwirkung gleichmäßig bleibt. Dies bedeutet, dass sich die Kugel während des Transports und der Lagerung nicht so leicht verformt und ihre physikalischen Eigenschaften somit stabil und unverändert bleiben. Diese Stabilität ist genau die Grundlage, die für die Neudefinition des Internationalen Einheitensystems erforderlich ist.

Der Herstellungsprozess von Silikonkugeln ist äußerst kompliziert.

Zunächst wird das Silizium-28-Isotop aus natürlichem Silizium abgetrennt. Dieser Schritt erfordert den Einsatz hochpräziser Geräte wie Gaszentrifugen, um die Reinheit des Siliziums auf 99,9999 % zu erhöhen und so die Qualität und Stabilität des Endprodukts sicherzustellen.

Anschließend wird hochreines Silizium-28-Gas durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) auf dem Impfkristall abgeschieden, um einen großen Einkristall-Siliziumblock zu züchten. Dieser Prozess muss in einer ultrareinen Umgebung durchgeführt werden, um das Eindringen von Verunreinigungen zu verhindern.

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Als nächstes wird der Einkristall-Siliziumblock in annähernd kugelförmige Blöcke geschnitten. Um die Maßgenauigkeit beim Schneidvorgang zu gewährleisten, sind hochpräzise Diamantwerkzeuge erforderlich. Der Rohling wird mehrfach präzisionsgeschliffen und poliert, bis er allmählich eine perfekte Kugelform annimmt. Bei diesem Verfahren werden Schleifmittel und Polierflüssigkeiten im Nanomaßstab verwendet, um eine optimale Glätte und Rundheit der Oberfläche zu gewährleisten.

Um sicherzustellen, dass jeder Teil des Balls nahezu perfekt war, verwendeten die Wissenschaftler zur Messung auch fortschrittliche Techniken wie Laserinterferometrie und Röntgenkristallanalyse. Basierend auf den Messergebnissen wird die Kugel fein abgestimmt, bis ihre Abweichung auf Nanometerebene kontrolliert wird. Mithilfe dieser Techniken gelang es ihnen nicht nur, die perfekte Kugelform zu erreichen, sondern sie ebneten auch den Weg für die spätere Definition der Avogadro-Konstante durch Zählen der Atomzahl.

Auf der Grundlage dieser Siliziumkugel konnten Wissenschaftler eine nahezu perfekte Avogadro-Konstante genau berechnen und so eine stabile Grundlage für die neue Definition des Internationalen Einheitensystems schaffen. Auf diese Weise wurde bei der Definition des Kilogramms der Driftfehler der Platin-Iridium-Legierung beseitigt und ein wirklich globaler einheitlicher Standard erreicht.

Am 16. November 2018 fand im Schloss Versailles in Frankreich eine historische wissenschaftliche Konferenz statt. An diesem Tag verabschieden sich Wissenschaftler auf der ganzen Welt gemeinsam von einem „Pensionierten“: dem Internationalen Kilogrammprototyp – dem Zylinder aus einer Platin-Iridium-Legierung, der in den vergangenen 139 Jahren „1 Kilogramm“ definiert hat.

Stattdessen stellen wir heute den rundesten Ball der Welt vor. Es handelte sich um die neue Definition des Kilogramms, die auf den Naturkonstanten basierte.

Von den Enden der Erde bis in die Welt der Atome hat die Menschheit nie aufgehört, nach dem Höchsten zu streben. Diese Siliziumkugel erfüllt nicht nur den Traum der Physik, sondern ermöglicht uns auch, die unendlichen Möglichkeiten der Wissenschaft selbst zu erkennen.

Dies ist nicht nur eine Geschichte über Masseneinheiten, sondern auch eine Erkundung des menschlichen Geistes – ein unermüdliches Streben nach ultimativer Schönheit, eine große Reise vom Mikro zum Makro.

Verweise

[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/

Planung und Produktion

Quelle: Bring Science Home (ID: steamforkids)

Autor: Su Chengyu

Herausgeber: Yang Yaping

Korrekturgelesen von Xu Lai und Lin Lin