Korkeapaineilmiöfysiikka

Korkean paineen ilmiöt, fysikaalisten, kemiallisten ja rakenteellisten ominaisuuksien muutokset, jotka aiheutuvat suuresta paineesta. Paine toimii siten monipuolisena työkaluna materiaalitutkimuksessa, ja se on erityisen tärkeä tutkittaessa kiviä ja mineraaleja, jotka muodostavat maan ja muiden planeettojen syvän sisätilan.

Paine, joka määritellään alueelle kohdistuvaksi voimaksi, on lämpökemiallinen muuttuja, joka indusoi fysikaalisia ja kemiallisia muutoksia, jotka ovat verrattavissa lämpötilan tutumpiin vaikutuksiin. Esimerkiksi nestemäinen vesi muuttuu kiinteäksi jääksi, kun se jäähdytetään alle 0 ° C (32 ° F) lämpötilaan, mutta jäätä voidaan tuottaa myös huoneenlämpötilassa puristamalla vettä paineisiin, jotka ovat noin 10 000 kertaa ilmakehän paineen yläpuolella. Samoin vesi muuttuu kaasumaiseen muotoonsa korkeassa lämpötilassa tai matalassa paineessa.

Huolimatta lämpötilan ja paineen pinnallisesta samanlaisuudesta, nämä kaksi muuttujaa ovat perustavanlaatuisesti erilaisia ​​siinä suhteessa, miten ne vaikuttavat materiaalin sisäiseen energiaan. Lämpötilan vaihtelut heijastavat muutoksia kineettisessä energiassa ja siten värisevien atomien termodynaamisessa käyttäytymisessä. Lisääntynyt paine puolestaan ​​muuttaa atomisidosten energiaa pakottamalla atomit lähemmäksi toisiaan pienemmässä tilavuudessa. Paine toimii siten voimakkaana atomin vuorovaikutusten ja kemiallisen sidoksen koettimena. Lisäksi paine on tärkeä työkalu tiheiden rakenteiden, mukaan lukien superkovat materiaalit, uudet jähmettyneet kaasut ja nesteet, sekä mineraalien kaltaisten vaiheiden syntetisoimiseksi syvän maan ja muiden planeettojen sisällä.

Lukuisia paineen mittausyksiköitä on otettu käyttöön, ja ne ovat toisinaan sekoitettuja kirjallisuuteen. Ilmakehään (atm; noin 1,034 kiloa neliö senttimetriä kohden (14,7 kiloa neliötuumaa kohti), mikä vastaa noin 760 millimetrin [30 tuumaa] elohopean painoa) ja tankoon (vastaa yhtä kiloa neliö senttimetriä kohti) viitataan usein. Sattumalta nämä yksiköt ovat lähes identtisiä (1 bar = 0,987 atm). Pascal, määritelty yhdeksi newtoniksi neliömetriä kohti (1 Pa = 0,00001 bar), on virallinen SI (Système International d'Unités) paineyksikkö. Siitä huolimatta pascal ei ole saavuttanut yleistä hyväksyntää korkeapaineen tutkijoiden keskuudessa, ehkä siksi, että hankala välttämättömyys käyttää gigapascalia (1 GPa = 10 000 bar) ja terapascal (1 TPa = 10 000 000 bar) korkean paineen tulosten kuvaamiseen.

Päivittäisessä kokemuksessa ympäristön paineita esiintyy esimerkiksi painekeittimissä (noin 1,5 atm), paineilma- ja kuorma-autorenkaissa (yleensä 2 - 3 atm) ja höyryjärjestelmissä (jopa 20 atm). Materiaalitutkimuksen yhteydessä 'korkea paine' tarkoittaa kuitenkin yleensä tuhansien miljoonien ilmakehän paineita.

Korkeassa paineessa olevan aineen tutkimukset ovat erityisen tärkeitä planeettayhteydessä. Tyynenmeren syvimmässä kaivoksessa oleviin esineisiin kohdistuu noin 0,1 GPa (suunnilleen 1000 atm), mikä vastaa paineen kolmen kilometrin kalliopylvään alla. Paine maapallon keskustassa ylittää 300 GPa, ja suurimpien planeettojen - Saturnuksen ja Jupiterin - sisäisten paineiden arvioidaan olevan noin 2 ja 10 TPa. Ylemmässä ääripäässä paineet tähteiden sisällä voivat olla yli 1 000 000 000 TPa.

Tuottaa korkeaa painetta

Tutkijat tutkivat materiaaleja korkeassa paineessa rajoittamalla näytteitä erityisesti suunniteltuihin koneisiin, jotka kohdistavat voiman näytealueelle. Ennen vuotta 1900 nämä tutkimukset tehtiin melko raa'illa rauta- tai teräsylintereillä, yleensä suhteellisen tehottomilla ruuvitiivisteillä. Suurimmat laboratoriopaineet rajoitettiin noin 0,3 GPa: iin, ja sylinterien räjähdykset olivat yleisiä ja joskus vahingollisia. Amerikkalainen fysiikka Percy Williams Bridgman, Cambridge, Massachusetts, esitteli korkeapainelaitteiden ja mittaustekniikoiden dramaattisia parannuksia. Vuonna 1905 Bridgman löysi paineistettujen näytteiden, mukaan lukien kaasut ja nesteet, pakkaamismenetelmän siten, että tiiviste kokenut aina korkeamman paineen kuin tutkittava näyte, rajoittaen siten näytteen ja vähentäen kokeellisen epäonnistumisen riskiä. Bridgman saavutti rutiininomaisesti yli 30 000 atm: n paineet, mutta hän myös pystyi tutkimaan nesteitä ja muita vaikeita näytteitä.