Fenômenos de alta pressão, alterações nas características físicas, químicas e estruturais que a matéria sofre quando submetida a alta pressão. A pressão, portanto, serve como uma ferramenta versátil na pesquisa de materiais, e é especialmente importante na investigação das rochas e minerais que formam o interior profundo da Terra e de outros planetas.
A pressão, definida como uma força aplicada a uma área, é uma variável termoquímica que induz mudanças físicas e químicas comparáveis aos efeitos mais familiares da temperatura. A água líquida, por exemplo, se transforma em gelo sólido quando resfriado a temperaturas abaixo de 0 ° C (32 ° F), mas o gelo também pode ser produzido à temperatura ambiente, comprimindo a água a pressões aproximadamente 10.000 vezes acima da pressão atmosférica. Da mesma forma, a água se converte em sua forma gasosa a alta temperatura ou baixa pressão.
Apesar da semelhança superficial entre temperatura e pressão, essas duas variáveis são fundamentalmente diferentes na maneira como afetam a energia interna de um material. As variações de temperatura refletem mudanças na energia cinética e, portanto, no comportamento termodinâmico dos átomos vibrantes. O aumento da pressão, por outro lado, altera a energia das ligações atômicas, forçando os átomos a se aproximarem em um volume menor. A pressão, portanto, serve como uma sonda poderosa de interações atômicas e ligações químicas. Além disso, a pressão é uma ferramenta importante para sintetizar estruturas densas, incluindo materiais super-duros, novos gases e líquidos solidificados e fases semelhantes a minerais que se suspeita ocorrerem profundamente na Terra e em outros planetas.
Inúmeras unidades para medir a pressão foram introduzidas e, às vezes, são confusas na literatura. A atmosfera (atm; aproximadamente 1.034 kg por centímetro quadrado [14,7 libras por polegada quadrada], equivalente ao peso de cerca de 760 milímetros [30 polegadas] de mercúrio) e a barra (equivalente a um quilograma por centímetro quadrado) são frequentemente citadas. Coincidentemente, essas unidades são quase idênticas (1 bar = 0,987 atm). O pascal, definido como um newton por metro quadrado (1 Pa = 0,00001 bar), é a unidade oficial de pressão SI (Système International d'Unités). No entanto, o pascal não obteve aceitação universal entre os pesquisadores de alta pressão, talvez por causa da incômoda necessidade de usar o gigapascal (1 GPa = 10.000 bar) e o terapascal (1 TPa = 10.000 bar) na descrição dos resultados de alta pressão.
Na experiência cotidiana, são encontradas pressões acima do ambiente em, por exemplo, panelas de pressão (cerca de 1,5 atm), pneus pneumáticos para automóveis e caminhões (geralmente 2 a 3 atm) e sistemas de vapor (até 20 atm). No contexto da pesquisa de materiais, no entanto, "alta pressão" geralmente se refere a pressões na faixa de milhares a milhões de atmosferas.
Estudos de matéria sob alta pressão são especialmente importantes em um contexto planetário. Objetos na vala mais profunda do Oceano Pacífico estão sujeitos a cerca de 0,1 GPa (aproximadamente 1.000 atm), equivalente à pressão sob uma coluna de rocha de três quilômetros. A pressão no centro da Terra excede 300 GPa, e as pressões dentro dos maiores planetas - Saturno e Júpiter - são estimadas em aproximadamente 2 e 10 TPa, respectivamente. No extremo superior, as pressões dentro das estrelas podem exceder 1.000.000.000 de TPa.
Produzindo alta pressão
Os cientistas estudam materiais em alta pressão confinando amostras em máquinas especialmente projetadas que aplicam uma força na área da amostra. Antes de 1900, esses estudos eram realizados em cilindros de ferro ou aço bastante brutos, geralmente com vedações de parafuso relativamente ineficientes. As pressões máximas de laboratório foram limitadas a cerca de 0,3 GPa, e as explosões dos cilindros eram uma ocorrência comum e às vezes prejudicial. As melhorias dramáticas nos aparelhos de alta pressão e nas técnicas de medição foram introduzidas pelo físico americano Percy Williams Bridgman, da Universidade Harvard, em Cambridge, Massachusetts. Em 1905, Bridgman descobriu um método de embalar amostras pressurizadas, incluindo gases e líquidos, de maneira que a vedação a junta sempre experimentou uma pressão mais alta que a amostra em estudo, limitando a amostra e reduzindo o risco de falha experimental. Bridgman não apenas alcançou rotineiramente pressões acima de 30.000 atm, mas também foi capaz de estudar fluidos e outras amostras difíceis.
