Il carbonio, la costante di Avogadro e l'importanza del numero 12

Il Sistema Internazionale di Unità (con l'abbreviazione di unità SI) è uno dei fondamenti della scienza moderna. Si compone di sette unità base dalle quali si possono derivare tutte le altre.

Questi sono i metri per la lunghezza; il chilogrammo per massa; il secondo per tempo; l'ampere per la corrente elettrica; Kelvin per la temperatura termodinamica; candela per l'intensità luminosa e mole per la quantità di sostanza. Si tratta di un sistema coordinato di unità che consente di confrontare i risultati scientifici in modo relativamente semplice, indipendentemente da dove vengono realizzati.

Tuttavia, il sistema SI è tutt'altro che perfetto. Uno dei problemi è che alcune unità hanno valori basati su oggetti arbitrari, come il chilogrammo. C'è un accordo generale sul fatto che questo dovrebbe essere cambiato in modo che le unità siano basate sulle costanti fondamentali della natura e su numeri specifici che sono definiti e quindi costanti.

Uno di questi numeri è la costante di Avogadro. Questo è attualmente definito come il numero di atomi in 12 grammi di carbonio-12 ed è noto essere circa 6.02214129 ×10^23. Ma il numero esatto dipende dalla definizione di chilogrammo, che per il momento è la massa di una barra arbitraria di lega platino-iridio nascosta in una cassaforte da qualche parte a Parigi.

Il consenso generale è che sarebbe meglio definire la costante di Avogadro e lasciare che questa determini la massa del chilogrammo. Ma quale numero dovrebbe servire?

Oggi Phil Fraundorf dell'Università del Missouri-St Louis propone un suggerimento interessante. Dice che una soluzione pratica è scegliere un numero divisibile per 12 in modo che un numero intero di atomi di carbonio-12 sia uguale alla massa di un grammo, almeno in prima approssimazione.

Allo stesso tempo, sarebbe utile avere una definizione fisicamente significativa basata su una struttura che potrebbe ragionevolmente esistere in natura. Vari ricercatori hanno suggerito un cubo di silicio in cristalli cubici a facce centrate di diamante o un cubo di carbonio cubico a facce centrate.

Il problema è che queste strutture sono quasi impossibili da fabbricare e comunque non contengono un numero di atomi divisibile per 12.

Così Fraundorf ha avuto un'idea migliore basata sul grafene, fogli singoli di rete metallica di carbonio che sono attualmente al centro di un'intensa ricerca. La sua idea è quella di definire la costante di Avogadro in termini di un numero di fogli esagonali di grafite impilati uno sopra l'altro per formare un prisma esagonale.

Egli mostra che se il numero di strati è uguale al numero di atomi lungo un lato della base esagonale, allora tale struttura avrà sempre un numero di atomi divisibile per 12, esattamente come richiesto. Quindi si tratta semplicemente di scegliere un numero che produca un prisma con un numero di atomi vicino al valore attuale della costante di Avogadro.

Suggerisce che se questo numero - il numero di strati e il numero di atomi lungo ciascun bordo esagonale - fosse uguale a 51.150.060, il totale sarebbe 602.214.158.510.196.804.982.800 atomi. È quasi quanto dannatamente uguale al numero corrente.

Dice che un cristallo di carbonio creato in questo modo sarebbe alto 1,71 centimetri con ciascuno dei sei lati lungo 1,09 centimetri.

È un'idea interessante, anche perché la nostra capacità di manipolare il grafene sta migliorando a passi da gigante. Fraundorf immagina un momento in un futuro non troppo lontano in cui potrebbe essere possibile utilizzare la tecnologia di stampa 3D per costruire un prisma con esattamente il numero di atomi di Avogadro.

Sarebbe un oggetto affascinante e qualcosa che darebbe alle persone un'idea concreta dello spazio occupato da una mole di materia e del peso di una mole di carbonio. Il peso di una mole di altri atomi sarà proporzionalmente più pesante o più leggero secondo il rapporto tra i pesi atomici, dice.

E invece di un solo chilogrammo in un caveau di Parigi (e poche copie altrove), chiunque potrebbe stampare il proprio chilogrammo in qualsiasi parte del pianeta (almeno in linea di principio).

Certo, il dibattito è in corso, con altri suggerimenti allo studio. Ma l'idea di Fraundorf sembra eminentemente sensata e merita sicuramente uno studio più dettagliato.

Rif: arxiv.org/abs/1201.5537 : Multiplo di 12 per Avogadro

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