Fenómenos de alta presión, cambios en las características físicas, químicas y estructurales que experimenta la materia cuando se somete a alta presión. Por lo tanto, la presión sirve como una herramienta versátil en la investigación de materiales, y es especialmente importante en la investigación de las rocas y minerales que forman el interior profundo de la Tierra y otros planetas.
La presión, definida como una fuerza aplicada a un área, es una variable termoquímica que induce cambios físicos y químicos comparables a los efectos más familiares de la temperatura. El agua líquida, por ejemplo, se transforma en hielo sólido cuando se enfría a temperaturas inferiores a 0 ° C (32 ° F), pero también se puede producir hielo a temperatura ambiente al comprimir el agua a presiones aproximadamente 10.000 veces superiores a la presión atmosférica. Del mismo modo, el agua se convierte en su forma gaseosa a alta temperatura o baja presión.
A pesar de la similitud superficial entre temperatura y presión, estas dos variables son fundamentalmente diferentes en la forma en que afectan la energía interna de un material. Las variaciones de temperatura reflejan cambios en la energía cinética y, por lo tanto, en el comportamiento termodinámico de los átomos que vibran. El aumento de la presión, por otro lado, altera la energía de los enlaces atómicos al forzar a los átomos a estar más juntos en un volumen más pequeño. Por lo tanto, la presión sirve como una potente sonda de interacciones atómicas y enlaces químicos. Además, la presión es una herramienta importante para sintetizar estructuras densas, incluidos materiales superduros, nuevos gases y líquidos solidificados y fases similares a minerales que se sospecha que ocurren en las profundidades de la Tierra y otros planetas.
Se han introducido numerosas unidades para medir la presión y, a veces, se confunden en la literatura. La atmósfera (atm; aproximadamente 1.034 kilogramos por centímetro cuadrado [14.7 libras por pulgada cuadrada], equivalente al peso de aproximadamente 760 milímetros [30 pulgadas] de mercurio) y la barra (equivalente a un kilogramo por centímetro cuadrado) a menudo se citan. Coincidentemente, estas unidades son casi idénticas (1 bar = 0.987 atm). El pascal, definido como un newton por metro cuadrado (1 Pa = 0.00001 bar), es la unidad oficial de presión SI (Système International d'Unités). Sin embargo, el pascal no ha ganado aceptación universal entre los investigadores de alta presión, quizás debido a la incómoda necesidad de usar el gigapascal (1 GPa = 10,000 bares) y el terapascal (1 TPa = 10,000,000 bares) al describir los resultados de alta presión.
En la experiencia cotidiana, se encuentran presiones superiores a la ambiental, por ejemplo, en ollas a presión (aproximadamente 1,5 atm), neumáticos neumáticos para automóviles y camiones (generalmente de 2 a 3 atm) y sistemas de vapor (hasta 20 atm). Sin embargo, en el contexto de la investigación de materiales, "alta presión" generalmente se refiere a presiones en el rango de miles a millones de atmósferas.
Los estudios de la materia bajo alta presión son especialmente importantes en un contexto planetario. Los objetos en la trinchera más profunda del Océano Pacífico están sujetos a aproximadamente 0.1 GPa (aproximadamente 1,000 atm), equivalente a la presión debajo de una columna de roca de tres kilómetros. La presión en el centro de la Tierra supera los 300 GPa, y las presiones dentro de los planetas más grandes, Saturno y Júpiter, se estiman en aproximadamente 2 y 10 TPa, respectivamente. En el extremo superior, las presiones dentro de las estrellas pueden exceder 1,000,000,000 TPa.
Produciendo alta presión
Los científicos estudian materiales a alta presión confinando muestras en máquinas especialmente diseñadas que aplican una fuerza al área de la muestra. Antes de 1900, estos estudios se realizaban en cilindros de acero o hierro en bruto, generalmente con sellos de tornillo relativamente ineficientes. Las presiones máximas de laboratorio se limitaron a aproximadamente 0.3 GPa, y las explosiones de los cilindros fueron una ocurrencia común y a veces perjudicial. El físico estadounidense Percy Williams Bridgman de la Universidad de Harvard en Cambridge, Massachusetts, introdujo mejoras dramáticas en aparatos de alta presión y técnicas de medición. En 1905, Bridgman descubrió un método para empacar muestras presurizadas, incluidos gases y líquidos, de tal manera que el sellado la junta siempre experimentó una presión más alta que la muestra en estudio, lo que limita la muestra y reduce el riesgo de falla experimental. Bridgman no solo alcanzó de manera rutinaria presiones superiores a 30,000 atm, sino que también pudo estudiar fluidos y otras muestras difíciles.
