Fenomeni ad alta pressione, variazioni delle caratteristiche fisiche, chimiche e strutturali che la materia subisce quando viene sottoposta ad alta pressione. La pressione funge quindi da strumento versatile nella ricerca dei materiali ed è particolarmente importante nello studio delle rocce e dei minerali che formano l'interno profondo della Terra e di altri pianeti.
La pressione, definita come una forza applicata ad un'area, è una variabile termochimica che induce cambiamenti fisici e chimici paragonabili agli effetti più familiari della temperatura. L'acqua liquida, ad esempio, si trasforma in ghiaccio solido quando viene raffreddata a temperature inferiori a 0 ° C (32 ° F), ma il ghiaccio può anche essere prodotto a temperatura ambiente comprimendo l'acqua a pressioni circa 10.000 volte superiori alla pressione atmosferica. Allo stesso modo, l'acqua si converte nella sua forma gassosa ad alta temperatura o a bassa pressione.
Nonostante la somiglianza superficiale tra temperatura e pressione, queste due variabili sono fondamentalmente diverse nei modi in cui influenzano l'energia interna di un materiale. Le variazioni di temperatura riflettono i cambiamenti nell'energia cinetica e quindi nel comportamento termodinamico degli atomi vibranti. La pressione aumentata, d'altra parte, altera l'energia dei legami atomici forzando gli atomi più vicini tra loro in un volume più piccolo. La pressione funge quindi da potente sonda di interazioni atomiche e legame chimico. Inoltre, la pressione è uno strumento importante per sintetizzare strutture dense, inclusi materiali superduri, nuovi gas e liquidi solidificati e fasi simili a minerali sospettate che si verifichino nelle profondità della Terra e di altri pianeti.
Sono state introdotte numerose unità per misurare la pressione e, a volte, sono confuse in letteratura. L'atmosfera (atm; circa 1,034 chilogrammi per centimetro quadrato [14,7 libbre per pollice quadrato], equivalente al peso di circa 760 millimetri [30 pollici] di mercurio) e la barra (equivalente a un chilogrammo per centimetro quadrato) sono spesso citate. Per coincidenza, queste unità sono quasi identiche (1 bar = 0,987 atm). Il pascal, definito come un newton per metro quadrato (1 Pa = 0,00001 bar), è l'unità di pressione ufficiale SI (Système International d'Unités). Tuttavia, Pascal non ha ottenuto l'accettazione universale tra i ricercatori ad alta pressione, forse a causa della scomoda necessità di utilizzare il gigapascal (1 GPa = 10.000 bar) e il terapascal (1 TPa = 10.000.000 bar) nel descrivere i risultati dell'alta pressione.
Nell'esperienza quotidiana, si incontrano pressioni superiori all'ambiente, ad esempio in pentole a pressione (circa 1,5 atm), pneumatici per automobili e camion (di solito da 2 a 3 atm) e sistemi a vapore (fino a 20 atm). Nel contesto della ricerca sui materiali, tuttavia, "alta pressione" di solito si riferisce a pressioni comprese tra migliaia e milioni di atmosfere.
Gli studi sulla materia ad alta pressione sono particolarmente importanti in un contesto planetario. Gli oggetti nella fossa più profonda dell'Oceano Pacifico sono sottoposti a circa 0,1 GPa (circa 1.000 atm), equivalenti alla pressione sotto una colonna di roccia di tre chilometri. La pressione al centro della Terra supera i 300 GPa e si stima che le pressioni all'interno dei pianeti più grandi - Saturno e Giove - siano rispettivamente di circa 2 e 10 TPa. All'estremo superiore, le pressioni all'interno delle stelle possono superare 1.000.000.000 di TPa.
Produrre alta pressione
Gli scienziati studiano materiali ad alta pressione limitando i campioni in macchine appositamente progettate che applicano una forza all'area del campione. Prima del 1900 questi studi erano condotti su cilindri di ferro o acciaio piuttosto grezzi, generalmente con tenute a vite relativamente inefficienti. Le pressioni massime di laboratorio erano limitate a circa 0,3 GPa e le esplosioni dei cilindri erano un evento comune e talvolta dannoso. Drammatici miglioramenti negli apparecchi ad alta pressione e nelle tecniche di misurazione furono introdotti dal fisico americano Percy Williams Bridgman dell'Università di Harvard a Cambridge, Mass. Nel 1905 Bridgman scoprì un metodo per imballare campioni pressurizzati, inclusi gas e liquidi, in modo tale che la sigillatura la guarnizione ha sempre subito una pressione maggiore rispetto al campione in studio, limitando così il campione e riducendo il rischio di fallimento sperimentale. Bridgman non solo raggiungeva abitualmente pressioni superiori a 30.000 atm, ma era anche in grado di studiare fluidi e altri campioni difficili.
