Pod ciśnieniem

Fotografia w nagłówku
Ciśnienie
Ciśnienie

Żyjemy na dnie wielkiego oceanu wypełnionego powietrzem – tak w XVII wieku Evangelista Torricelli  podsumował swoje odkrycie ciśnienia atmosferycznego.

Torricelli, oprócz wyjaśnienia przyczyny ograniczenia działania pomp głębinowych (do 10 m) wykazał, że można nawet nie zdawać sobie sprawy z istnienia naszego środowiska, skoro od zarania dziejów ludzie w tym środowisku przebywali. Obecnie wiemy, że warunki na powierzchni Ziemi są wyjątkowe we Wszechświecie – temperatura około 20°C i ciśnienie około 1 Atmosfery (czyli 0.1 MPa wg jednostek SI) są optymalne dla ludzi, a biosfera Ziemi obejmuje zakres ciśnień od ok. 0.03 MPa (na szczycie Mount Everestu) do 120000 MPa (na dnie Rowu Mariańskiego). Natomiast większość materii Wszechświata znajduje się albo w znacznie niższym ciśnieniu i temperaturze (przestrzeń międzygwiezdna) lub w znacznie wyższym ciśnieniu i temperaturze (wnętrze gwiazd i planet). W centrum „niewielkiej” Ziemi ciśnienie wynosi 3640000 Atm (364 GigaPaskali), a niewyobrażalnie większe ciśnienie panuje wewnątrz wielkich planet i gwiazd. Japoński naukowiec prof. Ichiro Sunagawa parafrazując wiersz poety Ukichiro Nakaya, powiedział, że jeśli płatek śniegu jest wiadomością z Nieba, to diament jest wiadomością z głębi Ziemi. Diament jest przykładem, jak ciśnienie wpływa na tworzone minerały. Ten niezwykle cenny i najtrwalszy materiał powstaje w wysokich ciśnieniach głęboko pod powierzchnią Ziemi. Obecnie wiemy, że wysokie ciśnienie odmienia przebieg większości znanych nam reakcji chemicznych: izolatory stają się metalami, metale izolatorami, bezbarwne materiały nabierają kolorów itd. W wysokim ciśnieniu wszystkie substancje ulegają zestaleniu. Nawet wodór – dobrze znany nam najlżejszy gaz we wnętrzu wielkich planet, takich jak Jowisz – ulega przemianie w metaliczne ciało stałe, być może nadprzewodzące. Obecnie znany najwyżej-temperaturowy nadprzewodnik otrzymano w wysokim ciśnieniu. Potrafimy wytwarzać w laboratorium ciśnienie wyższe niż w centrum Ziemi i temperaturę przewyższającą powierzchnię Słońca.

Dzięki temu powstają nowe materiały o niezwykłych własnościach, które mogą dokonać rewolucji technologicznej w mechanice, elektronice i medycynie. Od połowy lat 90. produkcja wytwarzanych w wysokich ciśnieniach syntetycznych diamentów przewyższa wydobycie diamentów naturalnych. Bez tej produkcji obecny rozwój technologiczny byłby niemożliwy.

Badania w wysokim ciśnieniu pozwalają nam też ogólniej zrozumieć prawa przyrody – a przynajmniej tej jej części, z której zdajemy sobie teraz sprawę. Obecnie uważa się, że zakres zmian ciśnienia obejmuje ponad 60 rzędów wielkości, od 10-36 Pa w przestrzeni międzygwiezdnej do 1028 Pa we wnętrzu czarnych dziur i jest największym znanym zakresem zmiennej fizycznej. Na tle tej skali obecnie wytwarzane ciśnienia przez naukowców nie wyglądają imponująco – rekordowe ciśnienie osiągnięte w laboratorium wynosi 600 GPa (6·1011 Pa), ale i przy nim stosowane rutynowo przez człowieka ciśnienia, na przykład w oponie samochodowej (ok. 2·105 Pa) lub nawet przy eksplozjach chemicznych (na przykład w lufie armaty lub przy wybuchu bomby 5·108 Pa) wydają się śmiesznie małe. A jak oddziałuje na nas czarna materia, główny składnik Wszechświata? Nikt nie ma zielonego pojęcia.

         Różnorodnym badaniom stosującym wysokie ciśnienia poświęcona będzie odbywającą się w tym roku w Poznaniu na Wydziale Chemii UAM konferencja Europejskiej Grupy Wysokich Ciśnień (55th European High Pressure Research Group Meeting, w dniach 3-8 września, 2017). Jest to jedna z najbardziej liczących się seria międzynarodowych konferencji poświęconych wysokim ciśnieniom. Uczestniczy w niej kilkuset badaczy, włączając takie sławy jak prof. Leonid Dubrovinsky i prof. Natalia Dubrovinskaia z Geoinstytutu w Bayreuth – tegoroczni laureaci przyznawanej przez Szwedzką Akademię Królewską Nagrody Georgi Aminoffa, uznawanej za równoważną Nagrodzie Nobla. Jest to nagroda krystalograficzna. To właśnie Leonid Dubrovinsky osiągnął jak dotąd najwyższe ciśnienie w laboratorium naukowym i to on zgodził się wygłosić wykład otwarty pt. Journey to the Centre of Earth 150 years after Jules Verne: Science – not fiction (we wtorek 5. września – dokładny termin i miejsce zostaną ogłoszone).

Nauka Wydział Chemii