В химии и физике метастабильность — это промежуточное энергетическое состояние в динамической системе, отличное от состояния системы с наименьшей энергией . Мяч, покоящийся в углублении на склоне, является простым примером метастабильности. Если мяч лишь слегка подтолкнуть, он вернется в углубление, но более сильный толчок может начать катиться по склону. Кегли для боулинга демонстрируют аналогичную метастабильность, либо просто покачиваясь на мгновение, либо полностью опрокидываясь. Распространенным примером метастабильности в науке является изомеризация . Изомеры с более высокой энергией являются долгоживущими, поскольку им не позволяют перестроиться в свое предпочтительное основное состояние (возможно, большие) барьеры в потенциальной энергии .
В метастабильном состоянии с конечным временем жизни все параметры, описывающие состояние, достигают и удерживают стационарные значения. В изоляции:
Концепция метастабильности возникла в физике фазовых переходов первого рода . Затем она приобрела новое значение при изучении агрегированных субатомных частиц (в атомных ядрах или в атомах) или в молекулах, макромолекулах или кластерах атомов и молекул. Позднее она была заимствована для изучения систем принятия решений и передачи информации.
Метастабильность распространена в физике и химии — от атома (многочастичная совокупность) до статистических ансамблей молекул ( вязкие жидкости , аморфные твердые тела , жидкие кристаллы , минералы и т. д.) на молекулярном уровне или в целом (см. Метастабильные состояния вещества и кучки зерен ниже). Обилие состояний становится более распространенным по мере того, как системы становятся больше и/или если силы их взаимного взаимодействия пространственно менее однородны или более разнообразны.
В динамических системах (с обратной связью ), таких как электронные схемы, трафик сигналов, принятие решений, нейронные и иммунные системы, инвариантность во времени активных или реактивных моделей по отношению к внешним воздействиям определяет стабильность и метастабильность (см. метастабильность мозга ниже). В этих системах эквивалентом тепловых колебаний в молекулярных системах является « белый шум », который влияет на распространение сигнала и принятие решений.
Неравновесная термодинамика — раздел физики, изучающий динамику статистических ансамблей молекул через нестабильные состояния. «Застревание» в термодинамической яме без нахождения в состоянии с самой низкой энергией известно как наличие кинетической устойчивости или кинетическая устойчивость. Конкретное движение или кинетика вовлеченных атомов приводит к застреванию, несмотря на наличие предпочтительных (с более низкой энергией) альтернатив.
Метастабильные состояния вещества (также называемые метасостояниями ) варьируются от плавления твердых тел (или замерзания жидкостей), кипения жидкостей (или конденсации газов) и сублимации твердых тел до переохлажденных жидкостей или перегретых смесей жидкость-газ. Чрезвычайно чистая, переохлажденная вода остается жидкой при температуре ниже 0 °C и остается таковой до тех пор, пока приложенные вибрации или конденсирующее затравочное легирование не инициируют центры кристаллизации . Это обычная ситуация для капель атмосферных облаков.
Метастабильные фазы распространены в конденсированных средах и кристаллографии. Это касается анатаза , метастабильного полиморфа диоксида титана , который, несмотря на то, что обычно является первой фазой, образующейся во многих процессах синтеза из-за его более низкой поверхностной энергии , всегда метастабилен, причем рутил является наиболее стабильной фазой при всех температурах и давлениях. [1] В качестве другого примера, алмаз является стабильной фазой только при очень высоких давлениях, но является метастабильной формой углерода при стандартной температуре и давлении . Он может быть преобразован в графит (плюс остаточная кинетическая энергия), но только после преодоления энергии активации – промежуточного холма. Мартенсит является метастабильной фазой, используемой для контроля твердости большинства сталей. Обычно наблюдаются метастабильные полиморфы кремния . В некоторых случаях, например, в аллотропах твердого бора , получение образца стабильной фазы затруднено. [2]
Связи между строительными блоками полимеров , таких как ДНК , РНК и белки , также метастабильны. Аденозинтрифосфат (АТФ) — это высокометастабильная молекула, в разговорной речи описываемая как «полная энергии», которая может быть использована многими способами в биологии. [3]
Вообще говоря, эмульсии / коллоидные системы и стекла являются метастабильными. Метастабильность силикатного стекла, например, характеризуется временем жизни порядка 10 98 лет [4] (по сравнению с временем жизни Вселенной, которое, как полагают, составляет около1,3787 × 10 10 лет). [5]
Кучи песка — это одна из систем, которая может проявлять метастабильность, если присутствует крутой склон или туннель. Песчинки образуют кучу из-за трения . Возможно, что вся большая куча песка достигнет точки, в которой она станет устойчивой, но добавление одной крупинки приведет к тому, что большие ее части разрушатся.
Лавина — известная проблема с большими кучами снега и ледяных кристаллов на крутых склонах. В сухую погоду снежные склоны ведут себя подобно песчаным кучам. Целый горный склон, покрытый снегом, может внезапно сойти из-за присутствия лыжника или даже громкого шума или вибрации.
Обнаружено, что агрегированные системы субатомных частиц, описываемые квантовой механикой ( кварки внутри нуклонов , нуклоны внутри атомных ядер , электроны внутри атомов , молекул или атомных кластеров ), имеют много различимых состояний. Из них одно (или небольшой вырожденный набор ) является бесконечно стабильным: основное состояние или глобальный минимум .
Все другие состояния, кроме основного состояния (или вырожденные вместе с ним), имеют более высокие энергии. [6] Из всех этих других состояний метастабильные состояния — это те, у которых время жизни по крайней мере в 10 2 -10 3 раз больше, чем у самых короткоживущих состояний из набора. [7]
Метастабильное состояние тогда является долгоживущим (локально стабильным по отношению к конфигурациям «соседних» энергий), но не вечным (как глобальный минимум ). Будучи возбужденным — с энергией выше основного состояния — оно в конечном итоге распадется в более стабильное состояние, высвобождая энергию. Действительно, выше абсолютного нуля все состояния системы имеют ненулевую вероятность распада; то есть спонтанного перехода в другое состояние (обычно с более низкой энергией). Один из механизмов, позволяющих это сделать, — туннелирование .
Некоторые энергетические состояния атомного ядра (имеющие различные пространственные распределения массы, заряда, спина, изоспина ) живут гораздо дольше, чем другие ( ядерные изомеры одного и того же изотопа ), например, технеций-99m . [8] Изотоп тантал-180m , хотя и является метастабильным возбужденным состоянием, достаточно долгоживущ, так что его распад никогда не наблюдался, а его период полураспада, как было рассчитано, составляет менее4,5 × 10 16 лет, [9] [10] более чем в 3 миллиона раз больше текущего возраста Вселенной .
Некоторые атомные энергетические уровни метастабильны. Ридберговские атомы являются примером метастабильных возбужденных состояний атомов. Переходы из метастабильных возбужденных уровней обычно запрещены правилами отбора электрических диполей . Это означает, что любые переходы с этого уровня относительно маловероятны. В некотором смысле, электрон, который случайно оказался в метастабильной конфигурации, оказывается там в ловушке. Поскольку переходы из метастабильного состояния не невозможны (просто менее вероятны), электрон в конечном итоге распадется в менее энергетическое состояние, как правило, путем электрического квадрупольного перехода или часто путем безызлучательного девозбуждения (например, столкновительного девозбуждения).
Это свойство медленного распада метастабильного состояния проявляется в фосфоресценции , виде фотолюминесценции, наблюдаемой в светящихся в темноте игрушках, которые можно зарядить, предварительно подвергнув их воздействию яркого света. В то время как спонтанное излучение в атомах имеет типичную временную шкалу порядка 10−8 секунд , распад метастабильных состояний обычно может занимать от миллисекунд до минут, и поэтому свет, излучаемый при фосфоресценции, обычно слабый и продолжительный.
В химических системах система атомов или молекул, включающая изменение химической связи , может находиться в метастабильном состоянии, которое длится относительно долгое время. Молекулярные колебания и тепловое движение делают химические виды в энергетическом эквиваленте вершины круглого холма очень недолговечными. Метастабильные состояния, которые сохраняются в течение многих секунд (или лет), находятся в энергетических долинах , которые не являются самой низкой возможной долиной (точка 1 на иллюстрации). Распространенным типом метастабильности является изомерия .
Стабильность или метастабильность данной химической системы зависит от ее окружающей среды, в частности температуры и давления . Разница между созданием стабильной и метастабильной сущности может иметь важные последствия. Например, наличие неправильного кристаллического полиморфа может привести к отказу лекарства во время хранения между производством и введением. [11] Карта того, какое состояние является наиболее стабильным в зависимости от давления, температуры и/или состава, известна как фазовая диаграмма . В областях, где определенное состояние не является наиболее стабильным, оно все еще может быть метастабильным. Промежуточные продукты реакции относительно недолговечны и обычно термодинамически нестабильны, а не метастабильны. ИЮПАК рекомендует называть их переходными, а не метастабильными. [12]
Метастабильность также используется для обозначения определенных ситуаций в масс-спектрометрии [13] и спектрохимии. [14]
Предполагается, что цифровая схема находится в небольшом количестве стабильных цифровых состояний в течение определенного времени после изменения входа. Однако, если вход изменяется в неподходящий момент, цифровая схема, использующая обратную связь (даже простая схема, такая как триггер ) , может войти в метастабильное состояние и занять неограниченное время, чтобы окончательно прийти в полностью стабильное цифровое состояние.
Метастабильность в мозге — это явление, изучаемое в вычислительной нейробиологии для выяснения того, как человеческий мозг распознает закономерности. Здесь термин «метастабильность» используется довольно свободно. Состояния с более низкой энергией не существует, но в мозге есть полупереходные сигналы, которые сохраняются некоторое время и отличаются от обычного равновесного состояния.
Жильбер Симондон использует понятие метастабильности для своего понимания систем, которые вместо того, чтобы разрешать свои напряжения и потенциалы для трансформации в единое конечное состояние, «сохраняют напряжения в равновесии метастабильности вместо того, чтобы сводить их на нет в равновесии стабильности», в качестве критики кибернетических понятий гомеостаза . [15]
Это очень стабильная молекула. При гидролизе до фосфата и аденозиндифосфата (АДФ) высвобождается около 11 500 калорий свободной энергии.