Kõrgsurve nähtuste füüsika

Kõrgrõhkkonna nähtused, füüsikaliste, keemiliste ja struktuuriliste omaduste muutused, mis on olulised kõrge rõhu all toimumisel. Rõhk on seega mitmekülgne tööriist materjalide uurimisel ning see on eriti oluline Maa ja teiste planeetide sügavat sisemust moodustavate kivimite ja mineraalide uurimisel.

Rõhk, mida defineeritakse kui piirkonnale rakendatavat jõudu, on termokeemiline muutuja, mis kutsub esile füüsikalisi ja keemilisi muutusi, mis on võrreldavad temperatuuri tuttavamate mõjudega. Näiteks vedel vesi muutub temperatuurini alla 0 ° C (32 ° F) jahutamisel tahkeks jääks, kuid jää võib toatemperatuuril tekitada ka vee kokkusurumisel rõhuni, mis on umbes 10 000 korda suurem kui atmosfäärirõhk. Samamoodi muundub vesi kõrgel temperatuuril või madalal rõhul gaasiliseks vormiks.

Vaatamata temperatuuri ja rõhu pinnapealsele sarnasusele on need kaks muutujat põhimõtteliselt erinevad viisil, kuidas nad mõjutavad materjali sisemist energiat. Temperatuuri kõikumised kajastavad muutusi kineetilises energias ja seega ka vibreerivate aatomite termodünaamilises käitumises. Suurenenud rõhk seevastu muudab aatomisidemete energiat, sundides aatomeid lähemale üksteisele väiksema mahu korral. Rõhk on seega võimas aatomite vastasmõju ja keemilise sideme sond. Lisaks on rõhk oluline vahend tihedate struktuuride, sealhulgas ülitugevate materjalide, uute tahkete gaaside ja vedelike ning mineraalitaoliste faaside sünteesimiseks, mis arvatavasti esinevad sügaval Maa sees ja muudel planeetidel.

Kasutusele on võetud arvukalt rõhu mõõtmise seadmeid, mis on kirjanduses kohati segaduses. Tihti viidatakse atmosfäärile (atm; umbes 1,034 kilogrammi ruutsentimeetri kohta [14,7 naela ruut tolli kohta], mis vastab umbes 760 millimeetri [30 tolli] elavhõbeda kaalule) ja ribale (mis vastab ühele kilogrammile ruutsentimeetri kohta). Juhuslikult on need ühikud peaaegu identsed (1 baar = 0,987 atm). Pascal, mida määratletakse ühe njuutonina ruutmeetri kohta (1 Pa = 0,00001 bar), on ametlik SI (Système International d'Unités) rõhuühik. Sellegipoolest ei ole pascal kõrgsurveuurijate seas üldtunnustatud, võib-olla seetõttu, et ebamugava vajaduse tõttu on kõrgsurvetulemuste kirjeldamisel vaja kasutada gigapaskalit (1 GPa = 10 000 baari) ja terapascal (1 TPa = 10 000 000 baari).

Igapäevases kogemuses on keskkonnamõjudest suurem rõhk näiteks õhupliitides (umbes 1,5 atm), pneumaatilistes auto- ja veoautorehvides (tavaliselt 2–3 atm) ja aurusüsteemides (kuni 20 atm). Materjaliuuringute kontekstis tähendab „kõrgrõhkkond” tavaliselt rõhku vahemikus tuhanded kuni miljonid atmosfäärid.

Kõrgrõhu all oleva aine uurimine on eriti oluline planeedi kontekstis. Vaikse ookeani sügavaimas kraavis olevad objektid mõjuvad umbes 0,1 GPa (umbes 1000 atm), mis võrdub rõhuga kolmekilomeetrise kivisamba all. Rõhk Maa keskpunktis ületab 300 GPa ja suurimate planeetide - Saturni ja Jupiteri - sisene rõhk on hinnanguliselt vastavalt 2 ja 10 TPa. Ülemisel äärmisel juhul võib rõhk tähtede sees ületada 1 000 000 000 TPa.

Kõrge rõhu tootmine

Teadlased uurivad materjale kõrge rõhu all, pannes proovid spetsiaalselt selleks ette nähtud masinatesse, mis rakendavad proovipiirkonnale jõudu. Enne 1900. aastat tehti neid uuringuid üsna toores rauast või terasest balloonides, tavaliselt suhteliselt ebatõhusate kruvitihenditega. Maksimaalne laboratoorne rõhk piirdus umbes 0,3 GPa-ga ja silindrite plahvatused olid tavaline ja mõnikord kahjulik sündmus. Ameerika füüsik Percy Williams Bridgman (Cambridge, Massachusetts) tutvustas kõrgrõhuaparaatide ja mõõtmistehnika dramaatilisi muudatusi. Aastal 1905 avastas Bridgman surve all olevate proovide, sealhulgas gaaside ja vedelike pakkimismeetodi selliselt, et tihendamine tihend koges alati kõrgemat rõhku kui uuritav proov, piirates sellega proovi ja vähendades katse ebaõnnestumise riski. Bridgman ei saavutanud rutiinset rõhku üle 30 000 atm, vaid suutis uurida ka vedelikke ja muid raskeid proove.