Le carbone, la constante d'Avogadro et l'importance du nombre 12

Le Système international d'unités (avec l'abréviation d'unités SI) est l'un des fondements de la science moderne. Il se compose de sept unités de base dont toutes les autres peuvent être dérivées.

Ce sont le mètre pour la longueur; le kilogramme pour la masse; le second pour le temps ; l'ampère pour le courant électrique; Kelvin pour la température thermodynamique ; candela pour l'intensité lumineuse, et mole pour la quantité de substance. Il s'agit d'un système coordonné d'unités qui permet de comparer relativement facilement les résultats scientifiques, quel que soit l'endroit où ils sont réalisés.

Cependant, le système SI est loin d'être parfait. L'un des problèmes est que certaines unités ont des valeurs basées sur des objets arbitraires, tels que le kilogramme. Il est généralement admis que cela devrait être modifié afin que les unités soient basées sur les constantes fondamentales de la nature et sur des nombres spécifiques définis et donc constants.

L'un de ces nombres est la constante d'Avogadro. Ceci est actuellement défini comme le nombre d'atomes dans 12 grammes de carbone-12 et est connu pour être d'environ 6,02214129 × 10^23. Mais le nombre exact dépend de la définition d'un kilogramme, qui est pour l'instant la masse d'une barre arbitraire d'alliage platine-iridium cachée dans un coffre-fort quelque part à Paris.

Le consensus général est qu'il serait préférable de définir la constante d'Avogadro et de laisser celle-ci déterminer la masse du kilogramme. Mais quel numéro doit servir ?

Aujourd'hui, Phil Fraundorf de l'Université du Missouri-St Louis fait une suggestion intéressante. Il dit qu'une solution pratique consiste à choisir un nombre divisible par 12 de sorte qu'un nombre entier d'atomes de carbone 12 soit égal à la masse d'un gramme, au moins en première approximation.

En même temps, il serait utile d'avoir une définition physiquement significative basée sur une structure qui pourrait raisonnablement exister dans la nature. Divers chercheurs ont suggéré un cube de silicium dans des cristaux cubiques à faces centrées de diamant ou un cube de carbone cubique à faces centrées.

Le problème est que ces structures sont quasiment impossibles à fabriquer et de toute façon ne contiennent pas un nombre d'atomes divisible par 12.

Fraundorf a donc eu une meilleure idée basée sur le graphène, des feuilles simples de grillage de carbone qui font actuellement l'objet de recherches intenses. Son idée est de définir la constante d'Avogadro en termes de nombre de feuilles hexagonales de graphite empilées les unes sur les autres pour former un prisme hexagonal.

Il montre que si le nombre de couches est égal au nombre d'atomes le long d'un côté de la base de l'hexagone, alors une telle structure aura toujours un nombre d'atomes divisible par 12, exactement comme requis. Il s'agit donc simplement de choisir un nombre qui produit un prisme avec un nombre d'atomes proche de la valeur actuelle de la constante d'Avogadro.

Il suggère que si ce nombre - le nombre de couches et le nombre d'atomes le long de chaque bord hexagonal - était égal à 51 150 060, alors le total serait de 602 214 158 510 196 804 982 800 atomes. C'est aussi proche que sacrément égal au nombre actuel.

Il dit qu'un cristal de carbone créé de cette manière mesurerait 1,71 centimètre de haut, chacun des six côtés mesurant 1,09 centimètre de long.

C'est une idée intéressante, notamment parce que notre capacité à manipuler le graphène s'améliore à pas de géant. Fraundorf imagine une époque dans un avenir pas trop lointain où il serait possible d'utiliser la technologie d'impression 3D pour construire un prisme avec exactement le nombre d'atomes d'Avogadro.

Ce serait un objet fascinant et quelque chose qui donnerait aux gens une idée concrète de l'espace occupé par une mole de matière ainsi que du poids d'une mole de carbone. Le poids d'une mole d'autres atomes sera proportionnellement plus lourd ou plus léger selon le rapport entre les poids atomiques, dit-il.

Et au lieu qu'il n'y ait qu'un seul kilogramme dans un coffre-fort à Paris (et quelques exemplaires ailleurs), n'importe qui pourrait imprimer son propre kilogramme n'importe où sur la planète (en principe, du moins).

Bien sûr, le débat est en cours, avec d'autres suggestions à l'étude. Mais l'idée de Fraundorf semble éminemment sensée et mérite certainement une étude plus approfondie.

Réf : arxiv.org/abs/1201.5537 : Un multiple de 12 pour Avogadro

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