これは世界で最も丸い物体であり、数千万ドルの価値があり、その存在は世界を変える可能性があります

地球上で真の「円」に最も近い物体はどれでしょうか?

その答えは自然からの贈り物ではなく、人類の技術の頂点、つまり超高純度シリコンでできた球体です。

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どれくらい丸いですか？もしシリコンボールが地球と同じ大きさだったら、ボール上の最も深い渓谷と最も高い山の間の距離はわずか 5 メートルになります...ほぼ完璧です。

この球体は偶然の実験産物ではなく、物理学の伝説にその名が刻まれた科学的な奇跡、 「アボガドロ計画」でした。

アボガドロプロジェクト出典: sci-galary

現在、世界にはアボガドロプロジェクトのシリコン球が 7 つあります。これらの球体の製造コストは非常に高く、球体 1 個あたりのコストは約 300 万ドルです。これら 7 つのシリコン球は、キログラムの質量標準を再定義するために、アボガドロ定数を正確に測定するために使用されました。

これらの球面儀は極めて高い精度を誇り、国際単位系の一貫性と安定性を確保するために不可欠です。また、これらの球面儀は世界で最も洗練された科学機器の一つであり、科学的測定における人類の最高レベルの成果を表しています。
この物語は1990年代に始まります。当時、国際単位系の定義は前例のない危機に直面していた。パリに保管されていたプラチナ・イリジウム合金製の円筒形質量計であるキログラムの原器は、時間の経過とともに質量がわずかに変化していたのだ。つまり、1 キログラムはもはや 1 キログラムではなく、正確ではなくなります。

オリジナルのキログラム標準（Big K）画像提供：BIPM

このドリフトは予測不可能かつ制御不可能であり、正確な測定に依存する科学分野では受け入れられません。特に医薬品、材料科学、精密製造などの分野では、わずかな品質の変化が実験結果の一貫性のなさにつながり、製品の品質と安全性に影響を与える可能性があります。これらの分野では、世界中で一貫した測定と生産を確保するために、完全に一定の品質基準が必要です。

そこで、世界中の科学者のグループが、時間が経っても変わらない新しい品質基準を見つけることにしました。

ドイツの物理学者、アンドレアス博士はこのプロジェクトの重要人物の一人です。彼はドイツ国立計量標準研究所（PTB）で上級研究員として勤務し、精密測定と計量研究に重点を置いていました。アボガドロプロジェクトの一環として、アンドレアス博士はシリコン球の製造と測定を前例のない精度で行いました。彼はかつてインタビューでこう語った。「私たちの目標は、単に物を作ることではなく、それを自然界の定数の一部にすることです。」こうして、完璧なシリコンボール、正確にはシリコン 28 ボールを作ることで品質基準を再定義するという大胆なアイデアが生まれました。

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では、なぜシリコン 28 同位体を選択するのでしょうか?

シリコンは熱安定性と機械的強度が非常に高いため、温度、湿度、圧力などの環境変化の影響を受けにくいです。さらに、シリコン自体は化学的に不活性性に優れています。精製後は空気中の酸素や他の化学物質とほとんど反応しないため、長期保存しても表面積と体積が安定します。

シリコンは、自然界ではシリコン 28 (92.23%)、シリコン 29 (4.67%)、シリコン 30 (3.10%) の 3 つの主な同位体として存在します。シリコン28が圧倒的多数を占めているため、それを精製することは他の同位体よりも経済的かつ技術的に実現可能です。

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精製されたシリコン 28 は完全に同じ種類の原子で構成されているため、異なる同位体間の質量と原子半径の違いによって生じる誤差が排除されます。この均一性は、原子の数と格子パラメータを計算する上で非常に重要です。

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このシリコンボールは 99.9999% の超純度シリコンで作られていますが、なぜ 100% ではないのでしょうか?

なぜなら、現実には、真の 100% 純度を達成することはほぼ不可能だからです。最先端の精製技術をもってしても、原子レベルではどんな物質も外部環境の他の原子の影響を受けるため、微量不純物を完全に除去することは困難です。これらの微細な不純物は、抽出、加工、さらには保管中に材料に入り込む可能性があります。純度99.9999%に到達するのはすでに限界です。さらなる精製には多大なコストがかかるだけでなく、原子間の相互作用や装置の物理的限界などの技術的な課題にも直面します。

それに比べて、プラチナイリジウム合金は密度が高く、耐腐食性にも優れていますが、環境に長期間さらされると、その表面に水分、二酸化炭素、有機化合物などの空気中の汚染物質が吸着され、わずかな質量損失が発生します。この品質の変化は予測不可能であり、長年にわたり、小さな変化であっても品質の定義に矛盾が生じる可能性があります。

科学的研究により、プラチナ・イリジウム合金のキログラム原型はさまざまな環境で無視できない質量変動を示すことが示されており、この変動は材料の化学的不安定性と長期にわたる表面酸化によって引き起こされると考えられています。

アボガドロ計画のシリコンベンチマークオブジェクトの形状として球体が選ばれたのはなぜですか?

球体は完全な対称性を備えているため、数学モデルを使用して表面積と体積を正確に計算することができ、これは測定において非常に重要です。立方体や不規則な物体などの他の形状と比較すると、球体の対称性により誤差が最小限に抑えられ、一貫性と再現性の高い測定が保証されます。

他の形状を選択した場合、表面積と体積の測定の複雑さが大幅に増加し、誤差がさらに蓄積されます。さらに、球形にすることで表面の不均一性の影響を最小限に抑えることができ、これは原子の正確な数を計算する上で非常に重要です。

さらに重要なのは、球体は力が加わっても形状が均一であるため、輸送中や保管中に変形しにくく、物理的特性が安定して変化しないことです。この安定性は、まさに国際単位系を再定義するために必要な基盤です。

シリコンボールの製造工程は非常に複雑です。

まず、天然シリコンからシリコン28同位体を分離します。このステップでは、ガス遠心分離機などの高精度の機器を使用してシリコンの純度を 99.9999% まで高め、最終製品の品質と安定性を確保する必要があります。

その後、化学気相成長法（CVD）により高純度シリコン28ガスを種結晶上に堆積させ、大型の単結晶シリコンインゴットを成長させます。このプロセスは、不純物の混入を防ぐために、超クリーンな環境で実行する必要があります。

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次に、単結晶シリコンインゴットをほぼ球形のビレットに切断します。寸法精度を確保するには、切断プロセス中に高精度のダイヤモンド工具が必要です。粗いブランクは精密に研磨され、何度も磨かれ、徐々に完璧な球形に近づいていきます。このプロセスでは、ナノスケールの研磨剤と研磨液を使用して、究極の表面の滑らかさと丸みを保証します。

ボールのあらゆる部分がほぼ完璧であることを確認するために、科学者たちはレーザー干渉法やX線結晶分析などの高度な技術も測定に使用しました。測定結果に基づいて、偏差がナノメートルレベルで制御されるまで球体を微調整します。これらの技術は、球体の完璧な形状を確保するのに役立っただけでなく、後に原子の数を数えることでアボガドロ定数を定義する道を開きました。

科学者たちはこのシリコン球を基に、ほぼ完璧なアボガドロ定数を正確に計算することができ、国際単位系の新しい定義に安定した基盤を提供しました。このようにして、キログラムの定義はプラチナ・イリジウム合金のドリフト誤差に別れを告げ、真に世界統一基準を達成しました。

2018年11月16日、フランスのベルサイユ宮殿で歴史的な科学会議が開催されました。この日、世界中の科学者たちは、過去 139 年間「1 キログラム」を定義してきたプラチナとイリジウムの合金の円筒である国際キログラム原器に一斉に「引退」の別れを告げます。

代わりに、今日は世界で最も丸いボールを紹介します。それは自然定数に基づいたキログラムの新しい定義となりました。

地球の隅々から原子の世界に至るまで、人類は究極の追求を決してやめませんでした。このシリコンボールは物理学の夢を実現するだけでなく、科学そのものの無限の可能性を見せてくれます。

これは質量の単位についての物語であるだけでなく、人間の心の探求でもあります。究極の美への飽くなき追求であり、ミクロからマクロへの偉大な旅です。

参考文献

[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/

企画・制作

出典: Bring Science Home (ID: steamforkids)

著者: 蘇成宇

編集者：ヤン・ヤピン