Crucial para avanzar en campos como la nanotecnología

Redefinición del kilogramo: imperceptible, pero histórico

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Luego de 130 años, esta medida de peso dejará de calcularse con base en un cuerpo físico, y ahora será determinado por medio de constantes de la física para elevar así su precisión a escala cuántica. Colombia ayuda a validar los datos de los experimentos que permitieron hacer este cambio.

La biotecnología, la nanotecnología, la actividad aeroespacial y la farmacéutica son algunos de los campos en los que la medida actual del kilogramo ya no es funcional: variaciones tan pequeñas como el peso de un grano de arena es un problema muy serio que impide avanzar en estas y otras industrias. La humanidad, por primera vez en su historia, necesita tener una referencia de peso que llegue a las escalas más pequeñas de la materia.(Lea Cambiará la definición de un kilogramo (pero todos pesaremos lo mismo))

El problema es que el kilogramo es la última medida fundamental que está definida con base en un cuerpo físico: una masa de platino e iridio que está guardada desde 1889 en un laboratorio en Francia bajo extrema seguridad y en condiciones especiales de humedad y temperatura. Mundialmente se le conoce a este objeto como el prototipo internacional del kilogramo (IPK, por sus siglas en inglés)

El sistema actual tiene varios inconvenientes, tanto de precisión como burocráticos. Para que una nación pueda tener su propia referencia del kilogramo debe pedir una réplica, la cual en términos microscópicos no será idéntica al IPK. Además, la masa original (IPK) es un cuerpo físico que puede sufrir cambios a través del tiempo (pese a sus cuidados), lo que afecta la precisión de la referencia internacional del kilogramo y sus respectivas copias.

El IPK no puede seguir siendo la referencia con la que se determina esta medida fundamental. Por esto, hace 20 años se emprendió una campaña mundial para calcular el kilogramo en términos de constantes de la naturaleza como la carga de un electrón, medidas que son iguales a través del tiempo y en cualquier parte del universo.

Se propusieron cuatro experimentos para lograr desmaterializar el kilogramo: la esfera de silicio (proyecto de Avogadro), la balanza de Kibble (anteriormente balanza de Watt), la levitación magnética y el de la acumulación de iones de oro. Sin embargo, los que brindaron mejores resultados fueron los dos primeros (Avogadro y la balanza de Kibble), pues le apostaron a definir el kilogramo en términos de la constante de Planck: pieza clave de la mecánica cuántica.

Uno de los experimentos consiste en contar los átomos de una esfera de silicio (con pureza del 99 %). Con base en esta información (el conteo de átomos), a las características de la esfera (la masa es conocida), y por medio de diferentes fórmulas, los científicos lograron relacionar el valor de la constante de Planck con el kilogramo, con un grado muy alto de exactitud.

Por su parte, la balanza de Kibble es un complejo experimento que “mide la cantidad de corriente eléctrica necesaria para crear una fuerza electromagnética, que es igual a una fuerza que actúa sobre una masa determinada”, explicó Beatriz de Vera, periodista de la revista N+1.

Adiós masa

Los experimentos de la esfera de silicio y el de la balanza de Kibble permitieron cumplir con el objetivo que la comunidad científica se fijó hace décadas: ya no hay necesidad de seguir definiendo el kilogramo con base en el IPK, porque ahora es posible usar una constante de la naturaleza para calcular esta medida fundamental. Lo mejor de todo es que es una información que está disponible y al alcance de toda la humanidad.

Y el pasado viernes 16 de noviembre se decretó oficialmente este cambio histórico: durante la Conferencia General sobre Pesos y Medidas (CGPM), realizada en Versalles (Francia), 60 países votaron para redefinir el kilogramo en términos de la constante de Panck. Pero solo será a partir del 20 de mayo de 2019 cuando se celebre el Día Mundial de la Metrología, que empezará a tener vigencia la medida desmaterializada del kilogramo.

¿Qué implicaciones tiene?

Ahora que se logró definirlo en términos de una constante de la naturaleza (la constante de Planck), el kilogramo tendrá el mismo valor en la Tierra, en Marte o en cualquier otro lugar del universo. Además, este avance elevará la precisión de esta medida fundamental a una escala cuántica, con la que incluso es posible calcular el peso de una célula. Lo que tendrá grandes impactos en biotecnología, nanotecnología, la industria aeroespacial y la farmacéutica.

Los físicos del Instituto Nacional de Metrología (INM) explicaron que “al cabo de cierto tiempo los efectos de la redefinición afectarán la vida diaria. La ciencia está llena de ejemplos en donde la aplicación práctica de un desarrollo científico ha tardado años en aparecer. Para citar solo un ejemplo, el tubo de rayos catódicos, de vital importancia para la fabricación de televisores, se desarrolló a nivel científico unos 50 años antes de la aparición del primer televisor”.

¿Cómo ayuda Colombia?

Aunque ya se haya aprobado la definición desmaterializada del kilogramo, no quiere decir que las tareas de la comunidad científica hayan terminado: en el campo de la metrología no basta con el desarrollo de estos experimentos, también es fundamental asegurar que los resultados se mantendrán en cualquier instante de tiempo (este concepto es conocido como estabilidad). Es el gran requisito que le falta por cumplir a la esfera de silicio y a la balanza de Kibble.

Y Colombia es uno de los países que está ayudando con esta tarea: “el Instituto Nacional de Metrología cuenta con una réplica de una esfera de silicio fabricada en Alemania y con un patrón de masa directamente relacionado con la balanza de Kibble, desarrollada en Canadá. Las mediciones que se realicen para estos dos objetos serán de vital importancia para determinar la estabilidad de ambos experimentos en el tiempo”, explicaron los físicos del INM.

Asimismo, Colombia (el INM) está participando en el proyecto “Si-trust” liderado por Instituto Nacional de Metrología de Alemania (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, o PTB). El objetivo es estudiar los procedimientos de fabricación, manejo, almacenamiento, transporte, limpieza y evaluación metrológica de esferas de silicio. Con esto se busca que estos objetos puedan ser usados como nuevos patrones de referencia para la magnitud masa y, posteriormente, puedan estar disponibles para un uso más comercial dentro de la industria.

Sin embargo, el INM no cuenta con los mejores recursos para participar en el Si-trust: necesita más de US$1,5 millones para comprar los equipos y realizar las adecuaciones necesarias para elevar la precisión de sus resultados. Aunque se trate de un capital importante, los físicos de esta entidad aseguran que es pertinente: “A nivel internacional se ha demostrado que una fuerte inversión en metrología está ligada al desarrollo industrial y productivo de un país. Corea del Sur es un excelente ejemplo de ello, pues el apoyo económico que se le ha dado a KRISS (instituto nacional de metrología de Corea del Sur) ha estado ligada al crecimiento económico y social de dicho país”.

De esta manera, Colombia es una de las naciones que velan por la exactitud y confiabilidad de la nueva definición del kilogramo, un cambio que le permitirá a la humanidad avanzar en campos como el de los medicamentos y el de la nanotecnología.

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