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Avogadro

Grafeno y el número 12 para definir la constante de Avogadro

El Sistema Internacional de Unidades (SI) es uno de los fundamentos de la ciencia moderna. Está compuesto de siete unidades de base a partir de las que se pueden derivar todas las demás.

Son el metro para la longitud, el kilogramo para la masa, el segundo para el tiempo, el amperio para la corriente eléctrica, el Kelvin para la temperatura termodinámica, la candela para la intensidad luminosa, y el mol para la cantidad de sustancia. Es un sistema coordinado de unidades que permite comparar los resultados científicos con relativa facilidad, independientemente del lugar donde se realicen.

Sin embargo, el SI no es ni mucho menos perfecto. Uno de los problemas es que algunas de las unidades tienen valores basados ​​en objetos arbitrarios, como el kilogramo. Existe un acuerdo general de cambio, para que las unidades se basen en las constantes fundamentales de la naturaleza y en números específicos definidos y, por tanto, constantes.

Uno de estos números es la constante de Avogadro. Actualmente está definida como el número de átomos en 12 gramos de carbono-12 y su valor aproximado conocido es de 6,02214129×1023. Sin embargo, el número exacto depende de la definición de kilogramo, que por el momento se define como la masa de una arbitraria barra de aleación de platino-iridio escondida en un lugar seguro, en París (Francia).

El consenso general es que sería mejor definir la constante de Avogadro y dejar que ésta determine la masa del kilogramo. Pero, ¿qué número habría que usar?

Phil Fraundorf, desde la Universidad de Missouri-St Louis (EEUU), nos presenta una sugerencia interesante. Asegura que una solución práctica es elegir un número que sea divisible por 12, de manera que un número entero de átomos de carbono-12 sea igual a la masa de un gramo, al menos en una primera aproximación.

Al mismo tiempo, sería útil contar con una definición física significativa basada en una estructura que pudiera existir razonablemente en la naturaleza. Varios investigadores han sugerido un cubo de silicio con cristales cúbicos centrados con forma de diamante o un cubo de carbono cúbico centrado.

El problema es que estas estructuras son casi imposibles de fabricar y en cualquier caso no contienen un número de átomos que sea divisible por 12.

Así que Fraundorf ha ideado algo mejor basándose en el grafeno, es decir, hojas individuales de “alambrada” de carbono, que actualmente son objeto de intensas investigaciones. Su idea es definir la constante de Avogadro en términos de un número de hojas hexagonales de grafito apiladas unas sobre otras para formar un prisma hexagonal.

Ha mostrado que si el número de capas es igual al número de átomos a lo largo de un lado de la base del hexágono, esa estructura siempre tendrá un número de átomos que sea divisible por 12, tal y como se requiere. Así que es simplemente una cuestión de elegir un número que produzca un prisma con un número de átomos cercano al valor actual de la constante de Avogadro.

Sugiere que si este número, el número de capas y el número de átomos a lo largo de cada lado del hexágono, fuera igual a 51.150.060, el total serían 602.214.158.510.196.804.982.800 átomos. Eso es lo más cercano al número actual, o incluso casi igual.

Afirma que un cristal de carbono creado de esta manera tendría 1,71 centímetros de altura, y cada uno de los seis lados mediría 1,09 centímetros de largo.

Es una idea interesante, sobre todo porque nuestra capacidad de manipular el grafeno está mejorando a pasos agigantados. Fraundorf cree que en un futuro no muy lejano podremos usar la tecnología de impresión en 3D para construir un prisma con el número exacto de átomos de Avogadro.

Se trataría de un objeto fascinante nos proporcionaría una idea concreta del espacio ocupado por un mol de materia, así como del peso de un mol de carbono. “El peso de un mol de otros átomos será proporcionalmente más pesado o más ligero según la relación entre los pesos atómicos”, afirma.

Y además de sólo contar con un kilogramo en una bóveda en París (y unas cuantas copias en otros lugares), cualquiera podría imprimir su propio kilogramo en cualquier lugar del planeta (al menos en principio).

Por supuesto existe un continuo debate alrededor del tema, y se están considerando otras propuestas. Sin embargo, la idea de Fraundorf parece eminentemente razonable y sin duda merece un estudio más detallado.