Zjawiska wysokociśnieniowe, zmiany właściwości fizycznych, chemicznych i strukturalnych, które podlegają materii pod wpływem wysokiego ciśnienia. Ciśnienie służy zatem jako wszechstronne narzędzie w badaniach materiałów i jest szczególnie ważne w badaniach skał i minerałów, które tworzą głębokie wnętrze Ziemi i innych planet.
Ciśnienie, zdefiniowane jako siła przyłożona do obszaru, jest zmienną termochemiczną, która indukuje zmiany fizyczne i chemiczne porównywalne z bardziej znanymi efektami temperatury. Na przykład woda w stanie ciekłym przekształca się w lód stały po schłodzeniu do temperatur poniżej 0 ° C (32 ° F), ale lód można również wytwarzać w temperaturze pokojowej przez sprężanie wody do ciśnienia około 10 000 razy powyżej ciśnienia atmosferycznego. Podobnie woda przekształca się w formę gazową w wysokiej temperaturze lub pod niskim ciśnieniem.
Pomimo powierzchownego podobieństwa między temperaturą a ciśnieniem, te dwie zmienne różnią się zasadniczo pod względem wpływu na energię wewnętrzną materiału. Zmiany temperatury odzwierciedlają zmiany w energii kinetycznej, a tym samym w zachowaniu termodynamicznym drgających atomów. Z drugiej strony, zwiększone ciśnienie zmienia energię wiązań atomowych, zmuszając atomy bliżej siebie w mniejszej objętości. Ciśnienie służy zatem jako potężna sonda interakcji atomowych i wiązań chemicznych. Ponadto ciśnienie jest ważnym narzędziem do syntezy gęstych struktur, w tym materiałów supertwardych, nowych zestalonych gazów i cieczy oraz faz podobnych do minerałów, o których podejrzewa się, że występują głęboko w Ziemi i na innych planetach.
Wprowadzono wiele jednostek pomiaru ciśnienia i czasami są one mylone w literaturze. Często podaje się atmosferę (atm; około 1,034 kilograma na centymetr kwadratowy [14,7 funta na cal kwadratowy], co odpowiada masie około 760 milimetrów [30 cali] rtęci) i pasek (równowartość jednego kilograma na centymetr kwadratowy). Przypadkowo jednostki te są prawie identyczne (1 bar = 0,987 atm). Paskal, zdefiniowany jako jeden niuton na metr kwadratowy (1 Pa = 0,00001 bar), jest oficjalną jednostką ciśnienia SI (Système International d'Unités). Niemniej jednak pascal nie zyskał powszechnej akceptacji wśród badaczy wysokiego ciśnienia, być może z powodu niezręcznej konieczności używania gigapaskali (1 GPa = 10 000 barów) i terapaskali (1 TPa = 10 000 000 barów) w opisie wyników wysokociśnieniowych.
W codziennym doświadczeniu występują ciśnienia wyższe niż w otoczeniu, na przykład w szybkowarze (około 1,5 atm), pneumatycznych oponach samochodowych i ciężarowych (zwykle 2 do 3 atm) i systemach parowych (do 20 atm). Jednak w kontekście badań materiałowych „wysokie ciśnienie” zwykle odnosi się do ciśnień w zakresie od tysięcy do milionów atmosfer.
Badania materii pod wysokim ciśnieniem są szczególnie ważne w kontekście planetarnym. Obiekty w najgłębszym wykopie Oceanu Spokojnego poddawane są działaniu około 0,1 GPa (około 1000 atm), co odpowiada ciśnieniu pod trzykilometrową kolumną skały. Ciśnienie w centrum Ziemi przekracza 300 GPa, a ciśnienia wewnątrz największych planet - Saturna i Jowisza - szacuje się odpowiednio na około 2 i 10 TPa. W górnym biegunie ciśnienia wewnątrz gwiazd mogą przekraczać 1 000 000 000 TPa.
Wytwarzanie wysokiego ciśnienia
Naukowcy badają materiały pod wysokim ciśnieniem, zamykając próbki w specjalnie zaprojektowanych maszynach, które przykładają siłę do obszaru próbki. Przed rokiem 1900 badania te były prowadzone w raczej surowych cylindrach z żeliwa lub stali, zwykle ze stosunkowo nieefektywnymi uszczelnieniami śrubowymi. Maksymalne ciśnienia laboratoryjne były ograniczone do około 0,3 GPa, a wybuchy cylindrów były częstym, a czasem szkodliwym zjawiskiem. Dramatyczną poprawę w urządzeniach wysokociśnieniowych i technikach pomiarowych wprowadził amerykański fizyk Percy Williams Bridgman z Harvard University w Cambridge, Massachusetts. W 1905 r. Bridgman odkrył metodę pakowania próbek pod ciśnieniem, w tym gazów i cieczy, w taki sposób, aby uszczelnienie uszczelka zawsze doświadczała wyższego ciśnienia niż badana próbka, ograniczając w ten sposób próbkę i zmniejszając ryzyko niepowodzenia eksperymentu. Bridgman nie tylko rutynowo osiągał ciśnienie powyżej 30 000 atm, ale był także w stanie badać płyny i inne trudne próbki.
