Fenomen visokog pritiska, promjene fizičkih, kemijskih i strukturnih karakteristika koje su podvrgnute visokom tlaku. Pritisak tako služi kao svestran alat u istraživanju materijala, a posebno je važan u istraživanju stijena i minerala koji tvore duboku unutrašnjost Zemlje i drugih planeta.
Tlak, definiran kao sila koja se primjenjuje na neko područje, termokemijska je varijabla koja inducira fizičke i kemijske promjene usporedive s poznatim temperaturama. Tekuća voda se, na primjer, pretvara u kruti led kad se ohladi na temperature ispod 0 ° C (32 ° F), ali led se može proizvesti i na sobnoj temperaturi komprimiranjem vode na tlake otprilike 10 000 puta iznad atmosferskog tlaka. Slično tome, voda se pretvara u plinoviti oblik pri visokoj temperaturi ili pri niskom tlaku.
Unatoč površnoj sličnosti temperature i tlaka, ove su se dvije varijable bitno razlikovale u načinu na koji utječu na unutarnju energiju materijala. Varijacije temperature odražavaju promjene u kinetičkoj energiji, a time i u termodinamičkom ponašanju vibracijskih atoma. S druge strane, povećani pritisak mijenja energiju atomskih veza prisiljavanjem atoma u manji volumen. Na taj način pritisak služi kao snažna sonda atomske interakcije i kemijskog vezivanja. Nadalje, tlak je važno sredstvo za sintezu gustih struktura, uključujući supertvrde materijale, nove očvrsnute plinove i tekućine i faze nalik mineralima za koje se pretpostavlja da se javljaju duboko u Zemlji i drugim planetima.
Uvedene su brojne jedinice za mjerenje tlaka i ponekad su zbrkane u literaturi. Atmosfera (atm; otprilike 1.034 kilograma po kvadratnom centimetru [14.7 funti po kvadratnom inču], što odgovara težini žive od oko 760 milimetara [30 inča]) i šipka (ekvivalent jedan kilogram po kvadratnom centimetru). Slučajno su ove jedinice gotovo identične (1 bar = 0,987 atm). Pascal, definiran kao jedan newton po kvadratnom metru (1 Pa = 0,00001 bara), službena je SI (Système International d'Unités) jedinica tlaka. Ipak, pascal nije stekao univerzalno prihvaćanje među istraživačima visokog pritiska, možda zbog nespretne potrebe korištenja gigapaskala (1 GPa = 10 000 bara) i terapaskala (1 TPa = 10 000 000 bara) pri opisivanju rezultata visokog tlaka.
U svakodnevnom iskustvu, pritisci iznad atmosfere javljaju se, na primjer, tlačni štednjaci (oko 1,5 atm), pneumatske gume za automobile i kamione (obično 2 do 3 atm) i parni sustav (do 20 atm). U kontekstu istraživanja materijala, međutim, "visoki tlak" se obično odnosi na pritiske u rasponu od tisuće do milijuna atmosfera.
Proučavanje materije pod visokim pritiskom posebno je važno u planetarnom kontekstu. Predmeti u najdubljem rovu Tihog oceana podvrgnuti su oko 0,1 GPa (otprilike 1.000 atm), što odgovara tlaku ispod tri kilometra stijene. Tlak u središtu Zemlje premašuje 300 GPa, a pritisci unutar najvećih planeta - Saturna i Jupitera - procjenjuju se na otprilike 2, odnosno 10 TPa. U gornjoj krajnosti, pritisci unutar zvijezda mogu prelaziti 1 000 000 000 TPa.
Izrada visokog tlaka
Znanstvenici proučavaju materijale pod visokim tlakom tako što stavljaju uzorke u posebno dizajnirane strojeve koji na silu primjenjuju silu. Prije 1900. godine ova su istraživanja provedena u prilično surovim cilindrima od željeza ili čelika, obično s relativno neučinkovitim vijčanim brtvama. Maksimalni laboratorijski pritisci bili su ograničeni na oko 0,3 GPa, a eksplozije cilindara uobičajena su i ponekad štetna pojava. Dramatična poboljšanja aparata i mjernih tehnika visokog pritiska uveo je američki fizičar Percy Williams Bridgman sa Sveučilišta Harvard u Cambridgeu, Massachusetts. Godine 1905. Bridgman je otkrio metodu pakiranja uzoraka pod tlakom, uključujući plinove i tekućine, na način da se brtvilo brtva je uvijek imala veći pritisak od uzorka koji se proučava, ograničavajući uzorak i smanjujući rizik od eksperimentalnog neuspjeha. Bridgman je ne samo rutinski postizao pritiske iznad 30 000 atm, već je također bio u mogućnosti proučavati tekućinu i druge teške uzorke.
