Hogedrukverschijnselen, veranderingen in fysische, chemische en structurele eigenschappen die materie ondergaat wanneer ze worden blootgesteld aan hoge druk. Druk dient dus als een veelzijdig hulpmiddel bij materiaalonderzoek en het is vooral belangrijk bij het onderzoeken van de rotsen en mineralen die het diepe binnenste van de aarde en andere planeten vormen.
Druk, gedefinieerd als een kracht die op een gebied wordt uitgeoefend, is een thermochemische variabele die fysieke en chemische veranderingen induceert die vergelijkbaar zijn met de meer bekende effecten van temperatuur. Vloeibaar water verandert bijvoorbeeld in vast ijs wanneer het wordt afgekoeld tot temperaturen onder 0 ° C (32 ° F), maar ijs kan ook bij kamertemperatuur worden geproduceerd door water samen te drukken tot een druk die ongeveer 10.000 keer hoger is dan de atmosferische druk. Evenzo wordt water bij hoge temperatuur of bij lage druk in gasvorm omgezet.
Ondanks de oppervlakkige overeenkomst tussen temperatuur en druk, zijn deze twee variabelen fundamenteel verschillend in de manier waarop ze de interne energie van een materiaal beïnvloeden. Temperatuurschommelingen weerspiegelen veranderingen in de kinetische energie en dus in het thermodynamische gedrag van vibrerende atomen. Verhoogde druk daarentegen verandert de energie van atoombindingen door atomen dichter bij elkaar te dwingen in een kleiner volume. Druk dient dus als een krachtige sonde van atomaire interacties en chemische binding. Bovendien is druk een belangrijk hulpmiddel voor het synthetiseren van dichte structuren, waaronder superharde materialen, nieuwe gestolde gassen en vloeistoffen en mineraalachtige fasen waarvan wordt vermoed dat ze diep in de aarde en andere planeten plaatsvinden.
Talloze eenheden voor het meten van druk zijn geïntroduceerd en worden in de literatuur soms verward. De atmosfeer (atmosfeer: ongeveer 1,034 kilogram per vierkante centimeter [14,7 pond per vierkante inch], equivalent aan het gewicht van ongeveer 760 millimeter [30 inch] kwik) en de staaf (equivalent aan één kilogram per vierkante centimeter) worden vaak genoemd. Toevallig zijn deze units vrijwel identiek (1 bar = 0,987 atm). De pascal, gedefinieerd als één Newton per vierkante meter (1 Pa = 0,00001 bar), is de officiële SI (Système International d'Unités) drukeenheid. Desalniettemin is de pascal niet algemeen aanvaard door hogedrukonderzoekers, misschien vanwege de ongemakkelijke noodzaak om de gigapascal (1 GPa = 10.000 bar) en terapascal (1 TPa = 10.000.000 bar) te gebruiken bij het beschrijven van hogedrukresultaten.
In de alledaagse ervaring worden hogere drukken dan omgevingsdruk aangetroffen in bijvoorbeeld snelkookpannen (ongeveer 1,5 atm), pneumatische auto- en vrachtwagenbanden (meestal 2 tot 3 atm) en stoomsystemen (tot 20 atm). In het kader van materiaalonderzoek verwijst 'hoge druk' echter meestal naar drukken in de orde van duizenden tot miljoenen atmosferen.
Onderzoek naar materie onder hoge druk is vooral belangrijk in een planetaire context. Objecten in de diepste greppel van de Stille Oceaan worden onderworpen aan ongeveer 0,1 GPa (ongeveer 1000 atm), wat overeenkomt met de druk onder een rotskolom van drie kilometer. De druk in het midden van de aarde is groter dan 300 GPa en de druk binnen de grootste planeten - Saturnus en Jupiter - wordt geschat op respectievelijk ongeveer 2 en 10 TPa. In het uiterste uiterste kan de druk in de sterren de 1.000.000.000 TPa overschrijden.
Hoge druk produceren
Wetenschappers bestuderen materialen onder hoge druk door monsters op te sluiten in speciaal ontworpen machines die een kracht uitoefenen op het monstergebied. Vóór 1900 werden deze studies uitgevoerd in tamelijk ruwe ijzeren of stalen cilinders, meestal met relatief inefficiënte afdichtingen. De maximale laboratoriumdruk was beperkt tot ongeveer 0,3 GPa en explosies van de cilinders waren een veelvoorkomend en soms schadelijk verschijnsel. Dramatische verbeteringen in hogedrukapparatuur en meettechnieken werden geïntroduceerd door de Amerikaanse natuurkundige Percy Williams Bridgman van de Harvard University in Cambridge, Massachusetts. In 1905 ontdekte Bridgman een methode om onder druk staande monsters, waaronder gassen en vloeistoffen, zodanig te verpakken dat de afdichting pakking ervoer altijd een hogere druk dan het onderzochte monster, waardoor het monster werd opgesloten en het risico op experimenteel falen werd verkleind. Bridgman bereikte niet alleen routinematig een druk van meer dan 30.000 atm, maar hij was ook in staat vloeistoffen en andere moeilijke monsters te bestuderen.
