Högtrycksfenomen, förändringar i fysiska, kemiska och strukturella egenskaper som materia genomgår när de utsätts för högt tryck. Trycket fungerar således som ett mångsidigt verktyg i materialforskning, och det är särskilt viktigt vid utredningen av bergarter och mineraler som bildar jordens djupa och andra planeter.
Tryck, definierat som en kraft som appliceras på ett område, är en termokemisk variabel som inducerar fysiska och kemiska förändringar jämförbara med de mer kända effekterna av temperaturen. Flytande vatten förvandlas till exempel till fast is när det kyls till temperaturer under 0 ° C (32 ° F), men is kan också produceras vid rumstemperatur genom att komprimera vatten till tryck ungefär 10 000 gånger över atmosfärstrycket. På liknande sätt konverterar vatten till sin gasform vid hög temperatur eller vid lågt tryck.
Trots den ytliga likheten mellan temperatur och tryck, är dessa två variabler grundläggande olika på det sätt de påverkar materialets inre energi. Temperaturvariationer återspeglar förändringar i den kinetiska energin och därmed i det termodynamiska beteendet hos vibrerande atomer. Ökat tryck å andra sidan förändrar energin från atombindningar genom att tvinga atomer närmare varandra i en mindre volym. Trycket tjänar således som en kraftfull sond av atomära interaktioner och kemisk bindning. Dessutom är tryck ett viktigt verktyg för att syntetisera täta strukturer, inklusive superhärdiga material, nya stelnade gaser och vätskor, och mineralliknande faser som misstänks förekomma djupt i jorden och andra planeter.
Många enheter för att mäta tryck har införts och ibland förvirras i litteraturen. Atmosfären (atm; ungefär 1.034 kilogram per kvadratcentimeter [14,7 pund per kvadrat tum], motsvarande vikten på cirka 760 millimeter [30 tum] kvicksilver) och stången (motsvarande en kilo per kvadratcentimeter) citeras ofta. Sammanfattningsvis är dessa enheter nästan identiska (1 bar = 0,987 atm). Pascal, definierad som en Newton per kvadratmeter (1 Pa = 0,00001 bar), är den officiella SI (Système International d'Unités) tryckenhet. Icke desto mindre har pascalen inte fått universell acceptans bland forskare med högt tryck, kanske på grund av den besvärliga nödvändigheten att använda gigapascal (1 GPa = 10 000 bar) och terapascal (1 TPa = 10 000 000 bar) för att beskriva resultat med högt tryck.
I vardagsupplevelsen uppstår tryck mer än omgivande tryck i till exempel tryckkokare (cirka 1,5 atm), pneumatiska bil- och lastbilsdäck (vanligtvis 2 till 3 atm) och ångsystem (upp till 20 atm). Inom ramen för materialforskning avser dock "högt tryck" vanligtvis tryck mellan tusentals och miljoner atmosfärer.
Studier av materia under högt tryck är särskilt viktiga i planetär sammanhang. Föremål i den djupaste diket av Stilla havet utsätts för cirka 0,1 GPa (ungefär 1 000 atm), vilket motsvarar trycket under en tre kilometer lång kolonn av sten. Trycket i mitten av jorden överstiger 300 GPa, och trycket inuti de största planeterna - Saturnus och Jupiter - beräknas vara ungefär 2 respektive 10 TPa. I det övre extrema kan trycket inuti stjärnor överstiga 1 000 000 000 TPa.
Producerar högt tryck
Forskare studerar material vid högt tryck genom att begränsa prover i specialdesignade maskiner som applicerar en kraft på provområdet. Före 1900 genomfördes dessa studier i ganska råjärn eller stålcylindrar, vanligtvis med relativt ineffektiva skruvtätningar. Maximalt laboratorietryck begränsades till cirka 0,3 GPa, och explosioner av cylindrarna var en vanlig och ibland skadlig förekomst. Dramatiska förbättringar av högtrycksapparater och mättekniker infördes av den amerikanska fysikern Percy Williams Bridgman från Harvard University i Cambridge, Mass. År 1905 upptäckte Bridgman en metod för att packa trycksatta prover, inklusive gaser och vätskor, på ett sådant sätt att tätningen packningen upplevde alltid ett högre tryck än provet som studerades, varigenom provet begränsades och minskade risken för försöksfel. Bridgman uppnådde inte bara rutinmässigt tryck över 30 000 atm, utan han kunde också studera vätskor och andra svåra prover.
