ظاهرة الضغط العالي والتغيرات في الخصائص الفيزيائية والكيميائية والهيكلية التي تخضع لها المادة عند تعرضها لضغط مرتفع. وبالتالي ، يعمل الضغط كأداة متعددة الاستخدامات في أبحاث المواد ، وهو مهم بشكل خاص في التحقيق في الصخور والمعادن التي تشكل المناطق الداخلية العميقة للأرض والكواكب الأخرى.
الضغط ، الذي يعرف بأنه قوة مطبقة على منطقة ما ، هو متغير حراري كيميائي يسبب تغيرات فيزيائية وكيميائية تضاهي التأثيرات المألوفة لدرجة الحرارة. يتحول الماء السائل ، على سبيل المثال ، إلى جليد صلب عند تبريده إلى درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت) ، ولكن يمكن أيضًا إنتاج الثلج في درجة حرارة الغرفة عن طريق ضغط الماء لضغوط تقارب 10000 مرة فوق الضغط الجوي. وبالمثل ، يتحول الماء إلى شكله الغازي عند درجة حرارة عالية أو عند ضغط منخفض.
على الرغم من التشابه السطحي بين درجة الحرارة والضغط ، فإن هذين المتغيرين يختلفان بشكل أساسي في الطرق التي تؤثر بها على الطاقة الداخلية للمادة. تعكس تغيرات درجة الحرارة التغيرات في الطاقة الحركية وبالتالي في السلوك الديناميكي الحراري للذرات الاهتزازية. زيادة الضغط ، من ناحية أخرى ، يغير طاقة الروابط الذرية عن طريق تقريب الذرات من بعضها في حجم أصغر. وبالتالي فإن الضغط بمثابة مسبار قوي للتفاعلات الذرية والروابط الكيميائية. علاوة على ذلك ، يعد الضغط أداة مهمة لتجميع الهياكل الكثيفة ، بما في ذلك المواد شديدة الصلابة ، والغازات والسوائل المتصلبة الجديدة ، والمراحل الشبيهة بالمعادن التي يشتبه في حدوثها في عمق الأرض والكواكب الأخرى.
تم إدخال العديد من الوحدات لقياس الضغط ، وأحيانًا يتم الخلط بينها في الأدبيات. غالبًا ما يُستشهد بالجو (atm ؛ حوالي 1.034 كجم لكل سنتيمتر مربع [14.7 رطل لكل بوصة مربعة] ، أي ما يعادل وزن حوالي 760 ملم [30 بوصة] من الزئبق) والبار (ما يعادل كيلوغرام واحد لكل سنتيمتر مربع). من قبيل الصدفة ، هذه الوحدات متطابقة تقريبًا (1 بار = 0.987 atm). الباسكال ، التي تعرف بأنها نيوتن واحد لكل متر مربع (1 باسكال = 0.00001 بار) ، هي وحدة الضغط SI الرسمية (Système International d'Unités). ومع ذلك ، لم يكتسب الباسكال قبولًا عالميًا بين الباحثين ذوي الضغط العالي ، ربما بسبب الضرورة المحرجة لاستخدام الجيجاباسكال (1 GPa = 10000 بار) و Terapascal (1 TPa = 10،000،000 بار) في وصف نتائج الضغط العالي.
في التجربة اليومية ، تتم مواجهة ضغوط أكبر من المحيطة ، على سبيل المثال ، طناجر الضغط (حوالي 1.5 ضغط جوي) ، إطارات السيارات والشاحنات الهوائية (عادة من 2 إلى 3 ضغط جوي) ، وأنظمة البخار (حتى 20 ضغط جوي). في سياق بحث المواد ، يشير مصطلح "الضغط العالي" عادةً إلى الضغوط في نطاق يتراوح بين آلاف وملايين الأجواء.
تعتبر دراسات المادة تحت ضغط مرتفع مهمة بشكل خاص في السياق الكوكبي. تتعرض الأجسام الموجودة في أعمق خندق في المحيط الهادئ لحوالي 0.1 جيجا باسكال (حوالي 1000 ضغط جوي) ، وهو ما يعادل الضغط أسفل عمود من الصخور يبلغ طوله ثلاثة كيلومترات. يتجاوز الضغط في مركز الأرض 300 جيجا باسكال ، وتقدر الضغوط داخل أكبر الكواكب - زحل والمشتري - بحوالي 2 و 10 تيرا باسكال ، على التوالي. في أقصى الطرف ، قد تتجاوز الضغوط داخل النجوم 1،000،000،000 طن سنويًا.
إنتاج ضغط مرتفع
يدرس العلماء المواد تحت ضغط عالٍ عن طريق حصر العينات في آلات مصممة خصيصًا تستخدم قوة في منطقة العينة. قبل عام 1900 ، أجريت هذه الدراسات في أسطوانات من الحديد الخام أو الصلب بدلاً من ذلك ، باستخدام أختام لولبية غير فعالة نسبيًا. كانت الضغوط المعملية القصوى تقتصر على حوالي 0.3 جيجا باسكال ، وانفجارات الأسطوانات كانت شائعة وأحيانًا ضارة. أدخل عالم الفيزياء الأمريكي بيرسي ويليامز بريدجمان من جامعة هارفارد في كامبريدج ، ماساشوستس تحسينات هائلة في أجهزة الضغط العالي وتقنيات القياس.في عام 1905 اكتشف بريدجمان طريقة لتعبئة العينات المضغوطة ، بما في ذلك الغازات والسوائل ، بطريقة تجعل الختم واجهت الحشية دائمًا ضغطًا أعلى من العينة قيد الدراسة ، وبالتالي حصر العينة وتقليل خطر الفشل التجريبي. لم يكتشف بريدجمان فقط الضغوط بشكل روتيني فوق 30.000 صراف آلي ، ولكنه تمكن أيضًا من دراسة السوائل والعينات الصعبة الأخرى.
