Φαινόμενα υψηλής πίεσης, αλλαγές στα φυσικά, χημικά και δομικά χαρακτηριστικά που έχουν σημασία υποβάλλονται όταν υφίστανται υψηλή πίεση. Η πίεση χρησιμεύει έτσι ως ένα ευέλικτο εργαλείο στην έρευνα υλικών, και είναι ιδιαίτερα σημαντικό στην έρευνα των πετρωμάτων και των ορυκτών που σχηματίζουν το βαθύ εσωτερικό της Γης και άλλων πλανητών.
Η πίεση, που ορίζεται ως μια δύναμη που εφαρμόζεται σε μια περιοχή, είναι μια θερμοχημική μεταβλητή που προκαλεί φυσικές και χημικές αλλαγές συγκρίσιμες με τις πιο γνωστές επιδράσεις της θερμοκρασίας. Το υγρό νερό, για παράδειγμα, μετατρέπεται σε στερεό πάγο όταν ψύχεται σε θερμοκρασίες κάτω από 0 ° C (32 ° F), αλλά ο πάγος μπορεί επίσης να παραχθεί σε θερμοκρασία δωματίου με συμπίεση νερού σε πιέσεις περίπου 10.000 φορές πάνω από την ατμοσφαιρική πίεση. Ομοίως, το νερό μετατρέπεται σε αέρια μορφή σε υψηλή θερμοκρασία ή σε χαμηλή πίεση.
Παρά την επιφανειακή ομοιότητα μεταξύ θερμοκρασίας και πίεσης, αυτές οι δύο μεταβλητές είναι θεμελιωδώς διαφορετικές με τον τρόπο που επηρεάζουν την εσωτερική ενέργεια ενός υλικού. Οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας αντικατοπτρίζουν τις αλλαγές στην κινητική ενέργεια και συνεπώς στη θερμοδυναμική συμπεριφορά των δονούμενων ατόμων. Η αυξημένη πίεση, από την άλλη πλευρά, μεταβάλλει την ενέργεια των ατομικών δεσμών αναγκάζοντας τα άτομα πιο κοντά μεταξύ τους σε μικρότερο όγκο. Η πίεση χρησιμεύει έτσι ως ένας ισχυρός ανιχνευτής ατομικών αλληλεπιδράσεων και χημικών δεσμών. Επιπλέον, η πίεση είναι ένα σημαντικό εργαλείο για τη σύνθεση πυκνών δομών, συμπεριλαμβανομένων των υπεραπλών υλικών, των νέων στερεοποιημένων αερίων και υγρών, και των ορυκτών φάσεων που υποτίθεται ότι συμβαίνουν βαθιά μέσα στη Γη και άλλους πλανήτες.
Έχουν εισαχθεί πολλές μονάδες μέτρησης της πίεσης και, κατά καιρούς, συγχέονται στη βιβλιογραφία. Η ατμόσφαιρα (atm; περίπου 1,034 κιλά ανά τετραγωνικό εκατοστό [14,7 λίβρες ανά τετραγωνική ίντσα], που ισοδυναμεί με το βάρος περίπου 760 χιλιοστά [30 ίντσες] υδραργύρου) και η ράβδος (ισοδύναμη με ένα χιλιόγραμμο ανά τετραγωνικό εκατοστό) αναφέρονται συχνά. Συμπτωματικά, αυτές οι μονάδες είναι σχεδόν πανομοιότυπες (1 bar = 0,987 atm). Το pascal, που ορίζεται ως ένα newton ανά τετραγωνικό μέτρο (1 Pa = 0,00001 bar), είναι η επίσημη μονάδα πίεσης SI (Système International d'Unités). Ωστόσο, το pascal δεν έχει αποκτήσει καθολική αποδοχή μεταξύ ερευνητών υψηλής πίεσης, ίσως λόγω της αμήχανης ανάγκης χρήσης του gigapascal (1 GPa = 10.000 bar) και του terapascal (1 TPa = 10.000.000 bar) για την περιγραφή αποτελεσμάτων υψηλής πίεσης.
Στην καθημερινή εμπειρία, συναντώνται μεγαλύτερες πιέσεις από το περιβάλλον, για παράδειγμα, κουζίνες πίεσης (περίπου 1,5 atm), ελαστικά αυτοκινήτων και φορτηγών πνευματικής κίνησης (συνήθως 2 έως 3 atm) και συστήματα ατμού (έως 20 atm). Ωστόσο, στο πλαίσιο της έρευνας υλικών, η «υψηλή πίεση» αναφέρεται συνήθως σε πιέσεις που κυμαίνονται από χιλιάδες έως εκατομμύρια ατμόσφαιρες.
Οι μελέτες της ύλης υπό υψηλή πίεση είναι ιδιαίτερα σημαντικές σε πλανητικό πλαίσιο. Τα αντικείμενα στην βαθύτερη τάφρο του Ειρηνικού Ωκεανού υπόκεινται σε περίπου 0,1 GPa (περίπου 1.000 atm), ισοδύναμο με την πίεση κάτω από μια στήλη βράχου τριών χιλιομέτρων. Η πίεση στο κέντρο της Γης υπερβαίνει τα 300 GPa και οι πιέσεις εντός των μεγαλύτερων πλανητών - Κρόνος και Δίας - εκτιμάται ότι είναι περίπου 2 και 10 TPa, αντίστοιχα. Στο άνω άκρο, οι πιέσεις μέσα στα αστέρια μπορεί να υπερβαίνουν τα 1.000.000.000 TPa.
Παραγωγή υψηλής πίεσης
Οι επιστήμονες μελετούν υλικά σε υψηλή πίεση περιορίζοντας δείγματα σε ειδικά σχεδιασμένες μηχανές που ασκούν δύναμη στην περιοχή του δείγματος. Πριν από το 1900 αυτές οι μελέτες διεξήχθησαν σε μάλλον ακατέργαστους κυλίνδρους σιδήρου ή χάλυβα, συνήθως με σχετικά αναποτελεσματικές βίδες στεγανοποίησης. Οι μέγιστες εργαστηριακές πιέσεις περιορίστηκαν σε περίπου 0,3 GPa και οι εκρήξεις των κυλίνδρων ήταν συχνές και μερικές φορές ζημιογόνες. Δραματικές βελτιώσεις σε συσκευές υψηλής πίεσης και τεχνικές μέτρησης εισήχθησαν από τον Αμερικανό φυσικό Percy Williams Bridgman του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ στο Cambridge, Mass. Το 1905 ο Bridgman ανακάλυψε μια μέθοδο συσκευασίας δειγμάτων υπό πίεση, συμπεριλαμβανομένων αερίων και υγρών, με τέτοιο τρόπο ώστε η σφράγιση Το παρέμβυσμα αντιμετώπιζε πάντα μεγαλύτερη πίεση από το υπό μελέτη δείγμα, περιορίζοντας έτσι το δείγμα και μειώνοντας τον κίνδυνο πειραματικής αποτυχίας. Ο Μπρίτζμαν όχι μόνο πέτυχε συστηματικά πιέσεις πάνω από 30.000 atm, αλλά ήταν επίσης σε θέση να μελετήσει υγρά και άλλα δύσκολα δείγματα.
