Fenomene de înaltă presiune, modificări ale caracteristicilor fizice, chimice și structurale pe care le suferă materia atunci când sunt supuse unei presiuni ridicate. Astfel, presiunea servește ca un instrument versatil în cercetarea materialelor și este deosebit de importantă în investigarea rocilor și mineralelor care formează interiorul profund al Pământului și al altor planete.
Presiunea, definită ca forță aplicată unei zone, este o variabilă termochimică care induce modificări fizice și chimice comparabile cu efectele mai familiare ale temperaturii. Apa lichidă, de exemplu, se transformă în gheață solidă atunci când este răcită la temperaturi sub 0 ° C (32 ° F), dar gheața poate fi produsă și la temperatura camerei prin comprimarea apei la presiuni de aproximativ 10.000 de ori peste presiunea atmosferică. În mod similar, apa se transformă în forma sa gazoasă la temperatură ridicată sau la presiune scăzută.
În ciuda similitudinii superficiale dintre temperatură și presiune, aceste două variabile sunt fundamental diferite în modul în care afectează energia internă a unui material. Variațiile de temperatură reflectă schimbările în energia cinetică și, deci, în comportamentul termodinamic al atomilor care vibrează. Presiunea crescută, pe de altă parte, modifică energia legăturilor atomice, forțând atomii mai aproape între ei într-un volum mai mic. Presiunea servește astfel ca o sondă puternică a interacțiunilor atomice și a legăturilor chimice. Mai mult, presiunea este un instrument important pentru sinteza structurilor dense, incluzând materiale suprapuse, gaze și lichide noi solidificate și faze asemănătoare mineralelor suspectate să apară adânc pe Pământ și alte planete.
Au fost introduse numeroase unități pentru măsurarea presiunii și, uneori, sunt confundate în literatura de specialitate. Sunt adesea citate atmosfera (atm; aproximativ 1.034 kilograme pe centimetru pătrat [14,7 lire pe inchi pătrat], echivalent cu greutatea de aproximativ 760 milimetri [30 inchi] de mercur) și bara (echivalentul a un kilogram pe centimetru pătrat). Întâmplător, aceste unități sunt aproape identice (1 bar = 0,987 atm). Pascalul, definit ca un newton pe metru pătrat (1 Pa = 0,00001 bar), este unitatea oficială de presiune SI (Système International d’Unités). Cu toate acestea, pascalul nu a obținut o acceptare universală în rândul cercetătorilor de înaltă presiune, poate din cauza necesității incomode de a utiliza gigapascal (1 GPa = 10.000 bari) și terapascal (1 TPa = 10.000.000 bari) în descrierea rezultatelor la presiune înaltă.
În experiența de zi cu zi, se întâlnesc presiuni mai mari decât cele ambientale, de exemplu, aragazuri sub presiune (aproximativ 1,5 atm), anvelope pneumatice pentru autovehicule și camioane (de obicei 2 până la 3 atm) și sisteme cu aburi (până la 20 atm). Cu toate acestea, în contextul cercetării pe materiale, „presiunea înaltă” se referă, de regulă, la presiuni în intervalul de la mii până la milioane de atmosfere.
Studiile asupra materiei sub presiune ridicată sunt deosebit de importante într-un context planetar. Obiectele din cea mai adâncă șanț a Oceanului Pacific sunt supuse la aproximativ 0,1 GPa (aproximativ 1.000 atm), echivalent cu presiunea de sub o coloană de rocă de trei kilometri. Presiunea din centrul Pământului depășește 300 GPa, iar presiunile din interiorul celor mai mari planete - Saturn și Jupiter - sunt estimate a fi aproximativ 2, respectiv 10 TPa. În extremitatea superioară, presiunile din interiorul stelelor pot depăși 1.000.000.000 TPa.
Producând presiune ridicată
Oamenii de știință studiază materialele la presiune ridicată prin limitarea eșantioanelor în mașini special concepute care aplică o forță în zona probei. Înainte de 1900, aceste studii au fost efectuate în cilindri de fier sau oțel destul de brut, de obicei cu garnituri de șurub relativ ineficiente. Presiunile de laborator maxime au fost limitate la aproximativ 0,3 GPa, iar exploziile cilindrilor au fost o întâmplare frecventă și uneori dăunătoare. Îmbunătățirile dramatice ale aparatelor de înaltă presiune și tehnicile de măsurare au fost introduse de fizicianul american Percy Williams Bridgman de la Universitatea Harvard din Cambridge, Mass. În 1905, Bridgman a descoperit o metodă de ambalare a eșantioanelor sub presiune, inclusiv gaze și lichide, în așa fel încât sigilarea garnitura a experimentat întotdeauna o presiune mai mare decât eșantionul studiat, limitând astfel eșantionul și reducând riscul de eșec experimental. Bridgman nu numai că a obținut în mod obișnuit presiuni peste 30.000 atm, dar a fost, de asemenea, capabil să studieze fluidele și alte probe dificile.
