Фазовые диаграммы представляют собой графическое выражение равновесных состояний вещества в координатах давления, температуры и состава. При экстремальных условиях — сверхвысоких давлениях, температурах и в условиях сильных электромагнитных полей — их изучение приобретает особое значение, так как именно в этих областях формируются новые состояния вещества, недоступные в обычных лабораторных условиях.
Особенность фазовых диаграмм экстремальных условий заключается в смещении линий равновесия, изменении устойчивости фаз и появлении нетривиальных фазовых переходов, включая образование сверхионных, аморфных и плазменных состояний.
Рост давления приводит к уплотнению вещества и стабилизации более плотных фаз. На примере льда известно, что при давлениях в десятки гигапаскалей формируются новые модификации, недоступные при нормальных условиях. Металлы, в свою очередь, могут претерпевать переходы от гранецентрированной кубической к гексагональной или орторомбической решётке, что существенно отражается на их термодинамических свойствах.
Фазовые диаграммы при высоких давлениях строятся с учётом уравнений состояния, связывающих давление, температуру и объём. Смещение фазовых границ описывается клатероновым уравнением:
$$ \frac{dP}{dT} = \frac{\Delta S}{\Delta V}, $$
где ΔS — изменение энтропии, ΔV — изменение молярного объёма при фазовом переходе. При экстремальных давлениях уменьшение объёма становится доминирующим фактором, что может стабилизировать метастабильные фазы.
Высокотемпературные области фазовых диаграмм характеризуются переходами к плазменным состояниям и диссоциацией молекул. При температурах свыше нескольких тысяч кельвинов наблюдается разрушение кристаллической решётки, образование жидкости, а затем и ионизованной плазмы.
На диаграммах это выражается в существовании так называемых линий сублимации и линий ионизации, переходящих в область плазменного состояния. Особое внимание уделяется критическим точкам, где различие между жидкой и газовой фазой исчезает, и сверхкритические флюиды занимают промежуточное положение.
Экстремальные электрические и магнитные поля способны смещать фазовые границы. Магнитные фазовые переходы (например, переход ферромагнетик–парамагнетик) существенно зависят от температуры и давления. В диаграммах состояния это отображается введением дополнительной координаты — напряжённости поля. В сильных электрических полях возможно образование поляризованных и упорядоченных состояний, изменяющих равновесие фаз.
Экспериментальные методы:
Теоретическое моделирование:
Фазовые диаграммы при экстремальных условиях имеют фундаментальное значение для понимания процессов в недрах планет и звёзд, для разработки сверхпрочных материалов, исследования поведения веществ в ядерных и термоядерных реакциях, а также в области космической химии. Они позволяют предсказывать существование новых форм вещества, уточнять уравнения состояния и углублять представления о границах устойчивости химических систем.