અતિ ઉચ્ચ દબાણ ઘટના (ultra high pressure phenomenon) : અતિ ઉચ્ચ દબાણની અસર તળે પદાર્થના ગુણધર્મોમાં થતા ફેરફારો. આધુનિક વિજ્ઞાનમાં દબાણ માપવા માટેનો એકમ બાર (bar) છે. 1 બાર = 106 ડાઇન/સેમી.2 = 0.9869 વાતાવરણ(atmosphere)નું દબાણ; 103 બાર = 1 કિ.બાર (k bar), 106 બાર = 1 મેગાબાર. એકમોની આંતરરાષ્ટ્રીય પ્રણાલી (SI) પ્રમાણે દ્બાણનો એકમ પાસ્કલ (Pa) છે. 1 પાસ્કલ = 105 બાર. 1 કિ.બારથી વધુ દબાણને ઉચ્ચ દબાણ ગણવામાં આવે છે. વિશ્વમાં ઉચ્ચ દબાણની ઘટના વ્યાપક છે. સમુદ્રના તળિયે (ઊંડાઈ 11 કિમી.) 1 કિ.બાર, પૃથ્વીના પોપડા(crust)ની નીચે (ઊંડાઈ 40 કિમી.) 10 કિ.બાર, પૃથ્વીના આવરણ(mantle)ની નીચે (ઊંડાઈ 2900 કિમી.) 1.3 મેગાબાર, પૃથ્વીના કેન્દ્ર ઉપર 3.4 મેગાબાર, સૂર્યના કેન્દ્ર ઉપર 105 મેગાબાર અને કેટલાક તારાઓના કેન્દ્રમાં આ દબાણ 1016 બારથી પણ વધુ હોય છે. બંદૂકની ગોળી જ્યાં અથડાય ત્યાં લગભગ 105 વાતાવરણ જેટલું દબાણ પેદા કરે છે. પૃથ્વીના તથા તારાઓના પેટાળમાં અતિ ઉચ્ચ દબાણ હોઈ તત્વોના તથા ખનિજોના નિર્માણમાં ઉચ્ચ દબાણે ઘણો અગત્યનો ભાગ ભજવેલો છે તેમ અતિશયોક્તિ વગર કહી શકાય.

કોઈ પણ રાસાયણિક પ્રણાલીની ક્રિયાશીલતા નક્કી કરનારાં પરિબળોમાં સંઘટન (composition), તાપમાન અને દબાણ અગત્યનાં ગણાય. આ દિશામાં રસાયણ અને ભૌતિકશાસ્ત્રમાં થયેલ સંશોધનમાં મુખ્યત્વે પ્રથમ બે પરિબળો ઉપર જ ધ્યાન કેન્દ્રિત કરવામાં આવેલ છે. આ માટે વાજબી કારણ પણ છે. 10 સે. તાપમાનમાં ફેરફાર થતા પદાર્થના ગુણધર્મોમાં જે પ્રમાણમાં ફેરફાર થાય તેટલા પ્રમાણમાં ફેરફારો ઉત્પન્ન કરવા માટે દબાણ 100 વાતાવરણ જેટલું કરવું પડે. પ્રયોગશાળામાં 10000 સે. તાપમાન બન્સેન બર્નર વડે સરળતાથી મેળવી શકાય. આ તાપમાને થતા ફેરફારો ઉત્પન્ન કરવા 1 લાખ વાતાવરણનું દબાણ જરૂરી ગણાય ! (1 વાતાવરણનું દબાણ = 1.013 બાર). આટલાં ઊંચાં દબાણ પેદા કરવાનું લાંબા સમય સુધી શક્ય ન હતું. અમેરિકાના ભૌતિકવિજ્ઞાની પર્સી વિલિયમ બ્રિજમેને તેને શક્ય બનાવ્યું. આ કાર્ય માટે તેમને 1946નું નોબેલ પારિતોષક એનાયત થયું હતું. પ્રયોગશાળામાં સ્થિર (static) દબાણની મર્યાદા 106 બાર છે. પ્રઘાતી તરંગો (shock-waves) મારફત 108 બાર જેટલું દ્બાણ પેદા થઈ શકે છે. જ્યારે ન્યૂક્લિયર વિસ્ફોટમાં 109 બાર જેટલું દબાણ ઉત્પન્ન થાય છે.

પદાર્થ ઉપર થતી ઉચ્ચ દબાણની અસર ટૂંકમાં નીચે પ્રમાણે રજૂ કરી શકાય : 105 બાર સુધી પદાર્થ સામાન્ય પરિસ્થિતિમાંના ગુણધર્મો પ્રદર્શિત કરે છે. જોકે, પરમાણુઓ ઉપર દબાણની અસરથી નવીન રચના લદાતી હોઈ નવીન ગુણધર્મો જોવા મળે. 105થી 109 બાર સુધીના દબાણને કારણે પદાર્થમાં ઉમેરાતી ઊર્જા લગભગ રાસાયણિક બંધની ઊર્જા જેટલી હોઈ પરમાણુની બાહ્ય ઇલેક્ટ્રૉન કક્ષાઓ વિકૃતિ પામે છે અને પરમાણુ/અણુઓની પ્રકૃતિમાં ફેરફાર થાય છે. સામાન્ય રીતે એમ કહી શકાય કે ઇલેક્ટ્રૉન કોઈ એક પરમાણુ સાથે ન રહેતાં તેઓ વધુ વિસ્થાનિત (delocalised) હોઈ વધુ ગતિશીલ હોય છે. જેથી પદાર્થમાં ધાતુગુણોનું પ્રાધાન્ય જોવા મળે છે. 109 બાર ઉપર વિસ્થાનીકરણ વધુ પ્રમાણમાં થતું હોઈ પદાર્થમાં રાસાયણિક બંધની અસર નહિવત્ રહેતાં પદાર્થ આયન-ઇલેક્ટ્રૉનના મિશ્રણ રૂપે વર્તે છે.

ઉચ્ચ દબાણની પદાર્થ ઉપર થતી અગત્યની અસરોમાં કદમાં ઘટાડો, પ્રાવસ્થા સંક્રાંતિ (phase transformation), વિદ્યુતીય, પ્રકાશકીય, ચુંબકીય અને રાસાયણિક ગુણધર્મોમાં ફેરફાર; પ્રવાહીની શ્યાનતામાં વધારો અને ઘણાખરા ઘન પદાર્થોની મજબૂતાઈ(strength)માં વધારો વગેરેને ગણાવી શકાય.

વાયુનું કદ દબાણ વધતાં ઘટે છે. સેંકડો બાર દબાણે વાયુનું કદ મૂળ કદની સરખામણીમાં હજારમા ભાગનું થઈ જાય છે અને વાયુ અવસ્થામાંથી પ્રવાહી અવસ્થામાં રૂપાંતર થાય છે. 50 કિ.બાર દબાણે પ્રવાહીના કદમાં ફક્ત 20-50 ટકાનો ઘટાડો થાય છે.

દબાણ વધતાં શ્યાનતામાં મોટો ફેરફાર થાય છે. 10 કિ.બારે શ્યાનતામાં દસ લાખ ગણો વધારો થાય છે. મોટા અણુઓ એકબીજા સાથે ગૂંથાઈને પદાર્થ થીજી જાય છે અને પદાર્થ દબાણનું વહન કરતો અટકી જાય છે. તેલનું ટીપું ઉચ્ચ દબાણે લોખંડની પ્લેટમાં ખાડો પાડી દે તેવું કઠિન થઈ જાય છે.

જે પ્રવાહીઓની ઘનતા થીજતાં (freezing) વધે છે તેમના ઉપર દબાણમાં વધારો કરતાં તેમના ઠારબિંદુ(ગલનબિંદુ)માં વધારો થાય છે. આ અસર નીચેના સૂત્ર પ્રમાણે થાય છે :

ΔV = કદમાં થતો વધારો, ΔH = ગલન દરમ્યાન શોષાતી ઊર્જા, T = ગલનબિંદુ, P = દબાણ. લોખંડ માટે ગલનનું ΔV નાનું હોઈ, 50થી 100 કિ.બાર દબાણના વધારાથી તેનું ગલનબિંદુ 1000 સે. જેટલું વધે છે. જ્યારે આ જ સંજોગોમાં NaCl જેવા પદાર્થો માટે ગલનનું ΔV મોટું હોઈ તેનું ગલનબિંદુ સેંકડો અંશ સે. જેટલું વધે છે. 1 બાર દબાણે NaClને લોખંડની ક્રૂસિબલ(મૂશ)માં પિગાળી શકાય પણ 100 કિ.બારે લોખંડને NaClની ક્રૂસિબલમાં પિગાળી શકાય ! સિઝિયમ અને પોટૅશિયમ નાઇટ્રેટના કિસ્સામાં એક એવું મહત્તમ તાપમાન મળે છે, જ્યારે ઘન કરતાં પ્રવાહીની ઘનતા વધુ હોય છે. પાણી, બિસ્મથ અને બીજા કેટલાક પદાર્થો આમાં અપવાદ છે. કારણ કે તેમની ઘનતા ઠારબિંદુએ ઘટે છે. 2 કિ.બારે પાણીના ઠારબિંદુમાં 200 સે.નો ઘટાડો થાય છે. 2 કિ.બાર દ્બાણ ઉપર મળતા બરફની ઘનતા પાણી કરતાં વધુ હોઈ દબાણનો વધારો ઠારબિંદુમાં વધારો કરે છે. 45 કિ.બાર દબાણે પાણીનું ઠારબિંદુ 1900 સે. હોય છે !

સામાન્ય રીતે વાયુની સરખામણીમાં પ્રવાહીઓ ઓછા સંપીડ્ય (સંકોચનીય, compressible) છે. ઘન પદાર્થો સૌથી ઓછા સંપીડ્ય ગણાય. વિવિધ પદાર્થોની સંપીડ્યતા સરખી નથી હોતી. 200 કિ.બારે સોડિયમ, પોટૅશિયમનું કદ અડધું થઈ જાય છે, જ્યારે હીરાના કદમાં થતો ઘટાડો ફક્ત થોડા ટકાનો જ હોય છે. સિઝિયમ સૌથી વધુ સંપીડ્ય ઘન પદાર્થ ગણાય છે.

દબાણની અસર તળે પદાર્થો બહુરૂપી (polymorphic) પ્રકારનું પ્રાવસ્થા પરિવર્તન (phase change) દર્શાવે છે. આમ થવાનું કારણ પદાર્થના પરમાણુ/અણુઓનો પુનર્વિન્યાસ છે. આમાં પરમાણુઓના સવર્ગ સહસંયોજકતા આંક(coordination number)માં ફેરફાર થાય છે અને નવીન સ્ફટિકરચના યોજાય છે. ઉષ્માગતિકી (thermodynamics) અનુસાર અચળ તાપમાને સમતોલનમાં રહેલ બે અવસ્થામાં ઉચ્ચ દબાણે સ્થાયી હોય તે અવસ્થા વધુ સઘન (dense) હોય છે. સવર્ગ સહસંયોજકતા આંકમાં વધારો થવાથી વધુ સઘન અવસ્થા પ્રાપ્ત થાય છે. સામાન્ય લોહ અંત:કેન્દ્રિત ઘન (body-centered cubic) સ્ફટિકરૂપ છે. 130 કિ.બારે તેનો સવર્ગ સહસંયોજકતા આંક 8માંથી 12 થાય છે અને સ્ફટિકરચના ષટકોણીય સુસંકલિત (hexagonal closepacked) પ્રકારની બને છે. સામાન્ય લોહ, લોહચુંબકીય (ferromagnetic) હોય છે, જે દબાણની અસર તળે અનુચુંબકીય (paramagnetic) અવસ્થામાં રૂપાંતરિત થાય છે. મોટો વ્યાસ ધરાવતા પરમાણુઓ (દા.ત. ટાઇટેનિયમ, ઝિરકોનિયમ) આમાં અપવાદ છે. કપૂરની 11 અવસ્થાઓ અને બરફની 8 અવસ્થાઓ 45 કિ.બાર સુધીમાં માલૂમ પડી છે. ક્વાટ્ર્ઝનાં જુદી જુદી ઘનતાવાળાં (2.91 થી 4.29) રૂપો જુદા જુદા દબાણે મેળવવામાં આવ્યાં છે.

સામાન્ય રીતે અર્ધવાહકો દબાણના ફેરફાર પ્રત્યે વિદ્યુતવાહકતાના સંદર્ભમાં વધુ સંવેદનશીલ હોય છે. જર્મેનિયમ 120 કિ.બારે હીરા જેવી વિવૃત (open) રચનામાંથી સફેદ કલાઈ જેવી સ્ફટિકરચનામાં રૂપાંતરિત થાય છે અને તેની વિદ્યુતવાહકતામાં દસ લાખ ગણો વધારો થાય છે. સિલિકન પણ આવી જ વર્તણૂક દર્શાવે છે. ફૉસ્ફરસ, આયોડીન અને સેલેનિયમ 100થી 150 કિ.બારે ધાતુના ગુણો (દા.ત., વાહકતા) દર્શાવે છે. પાંચ અને છ ઍરોમૅટિક વલયો સંઘનિત (condensed) રૂપમાં ધરાવનાર  પેન્ટાસીન અને હેક્ઝાસીન જેવા કાર્બનિક પદાર્થો પણ 150થી 200 કિ.બારે અર્ધવાહકતા દર્શાવે છે. હાઇડ્રોજન 2.18 મેગાબારે ધાતુમય ગુણો દર્શાવે તેવી શક્યતા ગણાય છે. (આટલું દબાણ પ્રયોગશાળામાં મેળવવું હાલમાં શક્ય નથી.)

ઉચ્ચ દબાણ અંગેનું સંશોધન વ્યવહારમાં પણ ઘણું ઉપયોગી નીવડ્યું છે. 15000 સે. તાપમાને, 50 કિ.બારે અને સંક્રાંતિ તત્વો(દા.ત., Ni)ની હાજરીમાં ગ્રૅફાઇટને હીરામાં રૂપાંતરિત કરીને ઔદ્યોગિક હીરા બનાવવામાં આવે છે. ઉષ્માગતિકી અનુસાર હીરો સામાન્ય તાપમાને અને 12 કિ.બારથી ઓછા દબાણે અસ્થાયી છે. પણ તેનું ગ્રૅફાઇટમાં રૂપાંતર આ સંજોગોમાં એટલું ધીમું થાય છે કે સામાન્ય સંજોગોમાં હીરો મિતસ્થાયી (metastable) રૂપમાં જ અનિશ્ચિત કાળ સુધી ફેરફાર વગર અસ્તિત્વ ધરાવી શકે છે. ઉચ્ચ દબાણે વધુ સંઘનિત બૉરૉન નાઇટ્રાઇડ (BN) મેળવવાનું શક્ય બન્યું છે.

અરુણ રમણલાલ વામદત્ત