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Desde 1901 al 2021: Mediciones Antes y Ahora. Por: Mark Esser

120 años de Historia Metrológica del NIST

10 de Marzo de 2021

Imagen: Primeros Materiales de Referencia

Cortesía: NIST




















Mucho ha cambiado en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (National Institute of Standards and Technology, NIST) en los últimos 120 años. Por un lado, fuimos conocidos como la Oficina Nacional de Normas (National Bureau of Standards, NBS) durante los primeros 87 años de nuestra existencia. Luego, en 1988, nos convertimos en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), para reflejar la misión en expansión de nuestra agencia y un énfasis renovado en impulsar la competitividad de la industria estadounidense. Pero por mucho que las cosas cambien, también existen cosas que permanecen igual. Si bien gran parte de nuestro trabajo inicial se ha incorporado a la economía estadounidense, el NIST sigue siendo un líder mundial en el avance de la ciencia de la medición. Seguimos brindando muchos de nuestros servicios originales, aunque las técnicas y tecnologías han evolucionado.

El Tiempo

El NIST no construyó su propio reloj al principio. Una de las primeras compras que hizo el NIST fue un reloj Riefler en 1904 de la firma Clemens Riefler en Alemania. El reloj Riefler era un reloj de péndulo muy estable que alcanzaba una precisión de una centésima de segundo por día, aproximadamente 3,5 segundos por año.
Hoy en día, utilizando la tecnología hecha posible por el trabajo ganador del Premio Nobel de Bill Phillips y sus colegas del NIST, usamos relojes de fuente atómica para definir el segundo como el tiempo que tardan 9 192 631 770 ciclos de radiación en ser emitidos desde los átomos de cesio especialmente energizados. El reloj de cesio más avanzado es el NIST-F2, es tan preciso que no ganaría ni perdería un segundo en unos 300 millones de años.

La Electricidad

El amperio que usaban nuestros fundadores en 1901 no era la misma unidad de corriente eléctrica que usamos hoy. De hecho, ¡ni siquiera era un amperio! en aquel entonces, el amperio se definía prácticamente como la corriente que depositaría eléctricamente una pequeña cantidad de plata en una superficie cargada negativamente utilizando un dispositivo conocido como voltímetro de plata. Ese voltímetro, a su vez, tuvo que calibrarse utilizando una celda Weston de referencia, es un tipo de batería que producía de manera confiable un voltaje constante durante un tiempo razonablemente largo.
Ahora, el caballo de batalla de las realizaciones primarias, precisas y exactas del voltio en todo el mundo es la unión de Josephson, que solo fue posible gracias a los fenómenos cuánticos que se descubrieron décadas después de la fundación del NIST. Una unión Josephson está hecha de dos capas de materiales superconductores separados por una capa de material aislante atómicamente delgado. Cuando se expone a una frecuencia particular de radiación de microondas, aparece un fenómeno mecánico cuántico conocido como túnel de electrones y este hace que la unión genere un voltaje proporcional. NIST ahora hace uniones Josephson que ofrecen precisiones superiores a 1 parte por mil millones y no necesitan calibrarse nunca. Los patrones se utilizan para calibrar voltímetros, dispositivos importantes para la fabricación de electrónica industrial y de consumo e incluso para el funcionamiento de la red eléctrica.

Materiales de Referencia Certificados

NIST ha estado produciendo Materiales de Referencia Certificado (Standard Reference Material®, SRM) desde 1905. Primero, producimos muestras patrones de hierro para la Asociación Estadounidense de Fundidores, para ayudar en el análisis metalúrgico y el control de calidad. En poco tiempo el NIST estaba haciendo “standard samples” (nuestro nombre original para los SRM) para cientos de productos y materiales. Ahora, el NIST produce más de 1 000 tipos diferentes de SRM, cada uno de los cuales tiene propiedades medidas minuciosamente.
Hoy en día, tenemos SRM para cosas que la gente de hace 120 años podría no haber imaginado. Por ejemplo, nuestro material de referencia de anticuerpos monoclonales. Muchos de los principales medicamentos actuales se basan en anticuerpos monoclonales, proteínas personalizables que pueden bloquear los caminos para las enfermedades y buscar células específicas, como las cancerosas, y administrarles sustancias químicas o radiación. El material de referencia del NIST proporciona un punto de referencia común que los fabricantes de medicamentos pueden compartir para verificar y mejorar sus métodos de control de calidad.

La Masa

Cuando se fundó el NIST, construimos nuestras propias balanzas de precisión para comparar y calibrar masas con las copias estadounidenses del Prototipo Internacional del Kilogramo, un pequeño cilindro de platino e iridio que servía como patrón mundial de masa. Esas balanzas se habrían parecido mucho a la balanza Rueprecht, que fue construida en 1901 y comprada por el NIST en 1945. Se utilizó para comparaciones de masas primarias hasta 1960, cuando fue reemplazada por una versión mejorada por el NIST.
Ahora, el patrón máximo de masa ya no es un objeto físico. Se define en términos de un número invariable en física cuántica llamado la Constante de Planck, que, a través de un par de pasos matemáticos, puede convertir una cierta cantidad de energía en radiación electromagnética en su equivalente en masa. En el laboratorio, el kilogramo se mide por la energía eléctrica que se necesita para mantener esa masa en equilibrio con la fuerza de la gravedad de la Tierra. Medimos esa energía eléctrica utilizando un nuevo tipo de balanza llamada la “Balanza de Kibble”, una tecnología que el NIST y sus colegas del Laboratorio Nacional de Física en el Reino Unido mejoraron y refinaron para redefinir el kilogramo.

La Iluminación

Poco después de su fundación, el NIST se puso a trabajar probando algunos de los productos que el gobierno compró para ver si cumplían con las especificaciones. Un problema que atormentaba al gobierno era la rapidez con la que se quemaban las bombillas que compró. En ese momento, el gobierno estaba comprando un millón de bombillas incandescentes por año. El NIST probó una selección de bombillas disponibles comercialmente y su trabajo demostró que muchas bombillas no se ajustaban a los estándares del fabricante o especificaciones federales. Debido a que el gobierno compró tantos productos, las pruebas ayudaron a mejorar la calidad no solo de las bombillas, sino de innumerables productos de industrias enteras que querían vender al gobierno.
El NIST todavía está recopilando datos de prueba sobre productos de iluminación. Una de las principales diferencias es que ya no se trata de bombillas incandescentes, sino de LED. Todos hemos escuchado la suposición que los LED pueden arder durante 50.000 horas o más, pero ¿cómo sabemos eso? Las pruebas de la industria no suelen simular la forma en que se utilizan los LED en la vida real, por lo que el NIST instaló un banco de pruebas para que los LED recopilen datos que ayuden a mejorar los modelos de su rendimiento, lo que lleva a mejores productos en el mundo real.

Mirando hacia el futuro

El impacto del NIST en los últimos 120 años ha sido considerable. Ahora, un impulso importante del trabajo del NIST es sacar las mediciones fuera del NIST, de nuestros laboratorios y ponerlas directamente en manos de investigadores industriales y científicos en forma de estándares basados en chips no solo para voltaje y corriente eléctrica, sino también para tiempo, temperatura y una serie de otras magnitudes. El programa del NIST “on a Chip” promete revolucionar la forma en que se realizan las mediciones de referencias. ¿Quién sabe? ¿Quizás este podría ser otro punto de inflexión en la historia de NIST?.

Esta publicación en el idioma español fue autorizada por el Sr. Mark Esser, escritor en la Oficina de Asuntos Públicos del NIST y editor del blog Taking Measure, para ser publicada por la División de Metrología del INN en el sitio web de la RNM, por el Ing. Q. William Güin.

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