Phénomènes à haute pression, changements des caractéristiques physiques, chimiques et structurelles que la matière subit lorsqu'elle est soumise à une haute pression. La pression sert donc d'outil polyvalent dans la recherche sur les matériaux, et elle est particulièrement importante dans l'étude des roches et des minéraux qui forment l'intérieur profond de la Terre et d'autres planètes.
La pression, définie comme une force appliquée à une zone, est une variable thermochimique qui induit des changements physiques et chimiques comparables aux effets plus familiers de la température. L'eau liquide, par exemple, se transforme en glace solide lorsqu'elle est refroidie à des températures inférieures à 0 ° C (32 ° F), mais la glace peut également être produite à température ambiante en comprimant l'eau à des pressions environ 10000 fois supérieures à la pression atmosphérique. De même, l'eau se transforme sous sa forme gazeuse à haute température ou à basse pression.
Malgré la similitude superficielle entre la température et la pression, ces deux variables sont fondamentalement différentes dans la façon dont elles affectent l'énergie interne d'un matériau. Les variations de température reflètent des changements dans l'énergie cinétique et donc dans le comportement thermodynamique des atomes vibrants. Une pression accrue, en revanche, modifie l'énergie des liaisons atomiques en forçant les atomes à se rapprocher dans un volume plus petit. La pression sert ainsi de sonde puissante pour les interactions atomiques et les liaisons chimiques. En outre, la pression est un outil important pour synthétiser des structures denses, y compris des matériaux super durs, de nouveaux gaz et liquides solidifiés et des phases de type minéral soupçonnées de se produire profondément dans la Terre et d'autres planètes.
De nombreuses unités de mesure de pression ont été introduites et sont parfois confondues dans la littérature. L'atmosphère (atm; environ 1,034 kilogramme par centimètre carré [14,7 livres par pouce carré], équivalent au poids d'environ 760 millimètres [30 pouces] de mercure) et la barre (équivalant à un kilogramme par centimètre carré) sont souvent citées. Par coïncidence, ces unités sont presque identiques (1 bar = 0,987 atm). Le pascal, défini comme un newton par mètre carré (1 Pa = 0,00001 bar), est l'unité de pression officielle SI (Système International d'Unités). Néanmoins, le pascal n'a pas été universellement accepté par les chercheurs sous haute pression, peut-être en raison de la nécessité maladroite d'utiliser le gigapascal (1 GPa = 10000 bars) et le térapascal (1 TPa = 10000000 bars) pour décrire les résultats de la haute pression.
Dans la vie de tous les jours, des pressions supérieures à la température ambiante sont rencontrées, par exemple, dans les autocuiseurs (environ 1,5 atm), les pneus pneumatiques pour automobiles et camions (généralement 2 à 3 atm) et les systèmes à vapeur (jusqu'à 20 atm). Dans le contexte de la recherche sur les matériaux, cependant, la «haute pression» fait généralement référence à des pressions de l'ordre de milliers à des millions d'atmosphères.
Les études de la matière sous haute pression sont particulièrement importantes dans un contexte planétaire. Les objets dans la tranchée la plus profonde de l'océan Pacifique sont soumis à environ 0,1 GPa (environ 1 000 atm), équivalent à la pression sous une colonne de roche de trois kilomètres. La pression au centre de la Terre dépasse 300 GPa, et les pressions à l'intérieur des plus grandes planètes - Saturne et Jupiter - sont estimées à environ 2 et 10 TPa, respectivement. À l'extrême supérieur, les pressions à l'intérieur des étoiles peuvent dépasser 1 000 000 000 TPa.
Production de haute pression
Les scientifiques étudient les matériaux à haute pression en confinant les échantillons dans des machines spécialement conçues qui appliquent une force à la zone d'échantillonnage. Avant 1900, ces études étaient menées dans des cylindres en fer ou en acier plutôt bruts, généralement avec des joints à vis relativement inefficaces. Les pressions maximales de laboratoire étaient limitées à environ 0,3 GPa, et les explosions des bouteilles étaient fréquentes et parfois préjudiciables. Des améliorations spectaculaires dans les appareils à haute pression et les techniques de mesure ont été introduites par le physicien américain Percy Williams Bridgman de l'Université Harvard à Cambridge, Mass. le joint a toujours subi une pression plus élevée que l'échantillon étudié, confinant ainsi l'échantillon et réduisant le risque d'échec expérimental. Bridgman a non seulement atteint régulièrement des pressions supérieures à 30 000 atm, mais il a également pu étudier des fluides et d'autres échantillons difficiles.
