Vật lý hiện tượng cao áp

Hiện tượng áp suất cao, thay đổi về đặc tính vật lý, hóa học và cấu trúc mà vật chất phải trải qua khi chịu áp lực cao. Do đó, áp lực đóng vai trò là một công cụ linh hoạt trong nghiên cứu vật liệu, và nó đặc biệt quan trọng trong việc điều tra các loại đá và khoáng chất hình thành nên phần bên trong sâu của Trái đất và các hành tinh khác.

Áp suất, được định nghĩa là một lực tác dụng lên một khu vực, là một biến nhiệt hóa học gây ra những thay đổi vật lý và hóa học tương đương với các tác động quen thuộc hơn của nhiệt độ. Chẳng hạn, nước lỏng biến thành đá rắn khi được làm lạnh đến nhiệt độ dưới 0 ° C (32 ° F), nhưng nước đá cũng có thể được tạo ra ở nhiệt độ phòng bằng cách nén nước đến áp suất cao hơn khoảng 10.000 lần so với áp suất khí quyển. Tương tự, nước chuyển thành dạng khí ở nhiệt độ cao hoặc ở áp suất thấp.

Mặc dù có sự tương đồng bề ngoài giữa nhiệt độ và áp suất, hai biến này về cơ bản là khác nhau về cách chúng ảnh hưởng đến năng lượng bên trong của vật liệu. Sự thay đổi nhiệt độ phản ánh những thay đổi trong động năng và do đó trong hành vi nhiệt động của các nguyên tử dao động. Mặt khác, áp suất tăng làm thay đổi năng lượng của các liên kết nguyên tử bằng cách buộc các nguyên tử lại gần nhau hơn trong một thể tích nhỏ hơn. Áp lực do đó phục vụ như một đầu dò mạnh mẽ của các tương tác nguyên tử và liên kết hóa học. Hơn nữa, áp lực là một công cụ quan trọng để tổng hợp các cấu trúc dày đặc, bao gồm các vật liệu siêu cứng, khí và chất lỏng hóa rắn mới, và các pha giống như khoáng chất bị nghi ngờ xảy ra sâu bên trong Trái đất và các hành tinh khác.

Nhiều đơn vị đo áp suất đã được giới thiệu và đôi khi bị nhầm lẫn trong tài liệu. Bầu không khí (atm; khoảng 1,034 kg mỗi cm vuông [14,7 pound mỗi inch vuông], tương đương với trọng lượng khoảng 760 mm [30 inch] thủy ngân) và thanh (tương đương với một kg trên mỗi cm vuông) thường được trích dẫn. Thật trùng hợp, các đơn vị này gần như giống hệt nhau (1 bar = 0,987 atm). Pascal, được định nghĩa là một newton trên một mét vuông (1 Pa = 0,00001 bar), là đơn vị áp suất SI (Système International d'Unités) chính thức. Tuy nhiên, pascal đã không đạt được sự chấp nhận phổ biến giữa các nhà nghiên cứu áp suất cao, có lẽ vì sự cần thiết vụng về của việc sử dụng gigapascal (1 GPa = 10.000 bar) và terapascal (1 TPa = 10.000.000 bar) khi mô tả kết quả áp suất cao.

Theo kinh nghiệm hàng ngày, áp lực lớn hơn môi trường xung quanh, ví dụ, nồi áp suất (khoảng 1,5 atm), lốp ô tô và xe tải khí nén (thường là 2 đến 3 atm) và hệ thống hơi (tối đa 20 atm). Tuy nhiên, trong bối cảnh nghiên cứu vật liệu, áp lực cao, thường đề cập đến áp lực trong phạm vi từ hàng ngàn đến hàng triệu bầu khí quyển.

Các nghiên cứu về vật chất dưới áp lực cao đặc biệt quan trọng trong bối cảnh hành tinh. Các vật thể trong rãnh sâu nhất của Thái Bình Dương phải chịu khoảng 0,1 GPa (khoảng 1.000 atm), tương đương với áp lực bên dưới cột đá dài ba km. Áp suất tại tâm Trái đất vượt quá 300 GPa và áp lực bên trong các hành tinh lớn nhất Sat Saturn và Jupiterật được ước tính lần lượt là khoảng 2 và 10 TPa. Ở cực trên, áp lực bên trong các ngôi sao có thể vượt quá 1.000.000.000 TPa.

Sản xuất áp lực cao

Các nhà khoa học nghiên cứu các vật liệu ở áp suất cao bằng cách giam các mẫu trong các máy được thiết kế đặc biệt tác dụng lực lên vùng mẫu. Trước năm 1900, các nghiên cứu này đã được thực hiện trong các xi lanh bằng sắt hoặc thép khá thô, thường là với các con dấu vít tương đối không hiệu quả. Áp lực phòng thí nghiệm tối đa được giới hạn trong khoảng 0,3 GPa, và vụ nổ xi lanh là một sự cố phổ biến và đôi khi gây thương tích. Cải tiến mạnh mẽ trong các thiết bị áp suất cao và kỹ thuật đo lường được giới thiệu bởi nhà vật lý người Mỹ Percy Williams Bridgman của Đại học Harvard ở Cambridge, Mass. Năm 1905 Bridgman đã phát hiện ra một phương pháp đóng gói các mẫu áp suất, bao gồm cả khí và chất lỏng miếng đệm luôn chịu áp lực cao hơn mẫu nghiên cứu, do đó hạn chế mẫu và giảm nguy cơ thất bại thí nghiệm. Bridgman không chỉ thường xuyên đạt được áp lực trên 30.000 atm, mà anh ta còn có thể nghiên cứu chất lỏng và các mẫu khó khăn khác.