Einkristall hilft bei Neudefinition des Kilogramms


Aus dem gezüchteten Einkristall werden zwei Kugeln herauspräpariert, die je ein Kilo wiegen. Experten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig wollen dann die Atome in den Kugeln "zählen" und so zu einer exakten Definition des Kilogramms kommen.

Bislang bestimmt sich das Kilogramm immer noch aus dem Vergleich mit dem Ur-Kilo in Paris, einem 39 Milimeter hohen und ebenso dicken Platin-Iridium-Zylinder. Nur: Jedes Handhaben des Zylinders, vor allem seine Reinigung, führt dazu, dass er zigtausende Atome verliert. Experten gehen davon aus, dass mittlerweile Abweichungen von 70 Mikrogramm auftreten (0,000 000 07 kg). Da in der heutigen Chemie und Physik jedoch längst mit weit geringeren Massen experimentiert wird, ist eine genaue und international einheitliche Bestimmung wichtig.

Bis jedoch das Kilogramm neu definiert werden kann, sind weitere wichtige Messungen nötig. Zunächst müssen die Kugeln mit dem Standard-Kilogramm in Braunschweig verglichen werden, um festzustellen, wie genau ihre tatsächliche Masse mit der der deutschen Kopie des Ur-Kilos übereinstimmt. Dann geht es darum, die Kugelgestalt exakt zu vermessen. Und schließlich werden die Mitarbeiter des internationalen Avogadro-Projekts die Atomabstände ermitteln. All diese Messungen müssen zusammengenommen bis auf ein Hundertmillionstel genau sein. Sind diese Voraussetzungen erfüllt, kann man die Zahl der Silizium-Atome in der Kugel berechnen und so eine für alle Zeiten gültige Einheit festlegen.

Das Institut für Kristallzüchtung konnte den Kristall für die Kugeln in der nötigen Perfektion produzieren. Das Silizium 28 wurde in einem speziellen Verfahren angereichert mit Zentrifugen, die früher das russische Militär nutzte. Ziel war es, eine einmalig hohe Isotopenreinheit zu erreichen. Das 28Si, das im natürlichen Si zu etwa 91 Prozent enthalten ist, wurde in Russland auf den Rekordwert von 99,994 Prozent angereichert.

Aus diesem Ausgangsmaterial züchteten die Experten des IKZ unter der Leitung von Dr. Helge Riemann einen Einkristall, dessen Atome in einem praktisch perfekten Gitter geordnet sind. Dank des Floating-Zone-Verfahrens kam das Silizium dabei auch mit keinem Schmelztiegel in Berührung, so dass die wichtigste Verunreinigungsquelle ausgeschlossen war. Am Ende entstand ein Kristallrohling, dessen Form entfernt an eine Sanduhr erinnert. Jetzt sollen daraus Kugeln gefertigt werden.

COMPAMED.de; Quelle: Forschungsverbund Berlin e.V.