Un número de Avogadro más preciso abrirá las puertas a un nuevo kilogramo

La constante de Avogadro es el número de moléculas (o átomos u otro tipo de partículas) que contiene un mol de una sustancia. Es una cantidad tan grande que resulta difícil de imaginar: el famoso 6,022 x 10²³ supera al número de estrellas del universo. De hecho si cogiéramos un número de Avogadro de céntimos de euro y los regalásemos entre los habitantes de la zona euro, todos acabarían siendo billonarios.

Las aplicaciones de esta constante fuera del ámbito científico son escasas (aunque sirve para demostrar con sencillez por qué la homeopatía no funciona). Sin embargo un grupo internacional de investigadores se ha embarcado en la misión de obtener la estimación más precisa del número de Avogrado, y con ella redefinir algo tan cercano como el kilogramo. El nuevo valor, el más exacto obtenido hasta la fecha, ha sido publicado esta semana en la revista Journal of Physical and Chemical Reference Data.

¿Por qué un kilogramo pesa un kilogramo? La definición original hacía referencia a la masa de un litro de agua destilada a una atmósfera de presión y 3,98ºC. La dificultad de replicar esta medida con exactitud llevó a fabricar un prototipo internacional, un cilindro de platino e iridio del apenas cuatro centímetros que se encuentra guardado en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas en Sèvres (Francia).

En 2018 el kilogramo dejará de depender de un objeto físico para hacerlo de una constante física

Este kilo ideal y exacto es el que sirve de modelo para el resto de estándares, que se calibran con esta pieza. El problema de que en pleno s. XXI esto dependa de un cilindro en Francia es obvio en cuanto a su situación geográfica, pero a esto hay que añadir que el modelo de Sèvres, a pesar de estar aislado en una cámara especial, puede variar su masa ligeramente con el tiempo.

Es por esto que la comunidad internacional de metrología (la rama de la física que estudia las magnitudes y permite su normalización) decidió actuar: el kilogramo debía ser redefinido en 2018. En vez de depender de un objeto físico, debería depender de las leyes físicas, concretamente de la constante de Planck. Y aquí entra en juego nuestro número de Avogadro, que influye sobre esta constante relacionada con la mecánica cuántica.

Un nuevo kilo que pese igual

El nuevo kilogramo que nacerá en 2018 se encuentra en la cima de un castillo de naipes en el que, si existe alguna debilidad en las plantas inferiores todo se derrumbará. “Antes de redefinirlo debemos demostrar que el nuevo es indistinguible del actual, o al efectuar el cambio la ciencia, la industria y el comercio deberán calibrar sus máquinas”, explica el investigador del Instituto Nacional de Investigación Metrológica y coautor del estudio, Giovanni Mana. Como puede imaginarse, esto supondría un coste económico y de tiempo considerable.

El prototipo internacional de kilogramo es un cilindro de platino e iridio del apenas cuatro centímetros de altura

Así que, puesto que el futuro kilogramo dependerá de la constante de Planck, es imprescindible asegurarse de que su valor es correcto. Y como esta se deriva del número de Avogadro todo comienza con él.

Para calcular un valor tan grande con exactitud el equipo de Mana contó el número de átomos de una esfera de ²⁸Si de un kilogramo. Este isótopo del silicio, al cristalizar, forma unos cubos de ocho átomos cada uno. Gracias a esto es posible calcular el número de átomos del objeto.

A comienzos de 2015 Mana obtuvo un nuevo valor para la constante de Avogadro con este método, con un margen de error de menos de 20 átomos por cada 1.000 millones. El número final es 6,02214082(11) x 10²³, donde el 11 entre paréntesis indica el margen de error del último número.

Una vez mejorada al exactitud del número de Avogadro al máximo, será posible afinar también la constante de Planck y así redefinir el kilogramo. “En metrología es importante asegurar la independencia y la democracia para evitar el monopolio de un único laboratorio o país”, asegura Mana.