В химии и физике метастабильность обозначает промежуточное энергетическое состояние внутри динамической системы , отличное от состояния системы с наименьшей энергией . Шар, покоящийся в углублении на склоне, является простым примером метастабильности. Если мяч толкнуть лишь слегка, он сядет обратно в углубление, но более сильный толчок может заставить мяч скатиться вниз по склону. Кегли для боулинга демонстрируют аналогичную метастабильность: они либо просто покачиваются на мгновение, либо полностью опрокидываются. Типичным примером метастабильности в науке является изомеризация . Изомеры с более высокой энергией живут долго, поскольку им не позволяют перегруппироваться в предпочтительное основное состояние из-за (возможно, больших) барьеров потенциальной энергии .
Во время метастабильного состояния с конечным временем жизни все параметры, описывающие состояние, достигают и удерживают стационарные значения. В изоляции:
Концепция метастабильности зародилась в физике фазовых переходов первого рода . Затем оно приобрело новый смысл при изучении агрегированных субатомных частиц (в атомных ядрах или в атомах) или в молекулах, макромолекулах или скоплениях атомов и молекул. Позже он был заимствован для исследования систем принятия решений и передачи информации.
Метастабильность распространена в физике и химии — от атома (многочастичная сборка) до статистических ансамблей молекул ( вязких жидкостей , аморфных твердых тел , жидких кристаллов , минералов и т. д.) на молекулярных уровнях или в целом (см. Метастабильные состояния вещества). и кучи зерна внизу). Изобилие состояний становится более преобладающим 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, системы передачи сигналов, системы принятия решений, нервные и иммунные системы, временная инвариантность активных или реактивных паттернов по отношению к внешним воздействиям определяет стабильность и метастабильность (см. «Метастабильность мозга» ниже). В этих системах эквивалентом тепловых флуктуаций молекулярных систем является « белый шум », влияющий на распространение сигнала и принятие решений.
Неравновесная термодинамика — раздел физики, изучающий динамику статистических ансамблей молекул через нестабильные состояния. «Застревание» в термодинамической впадине без нахождения в состоянии с самой низкой энергией известно как наличие кинетической стабильности или кинетическая устойчивость. Особое движение или кинетика задействованных атомов привели к застреванию, несмотря на то, что существовали предпочтительные альтернативы (с более низкой энергией).
Метастабильные состояния вещества (также называемые метасостояниями ) варьируются от плавления твердых тел (или замерзания жидкостей), кипения жидкостей (или конденсации газов) и сублимации твердых веществ до переохлажденных жидкостей или перегретых смесей жидкости и газа. Чрезвычайно чистая, переохлажденная вода остается жидкой при температуре ниже 0 °C и остается таковой до тех пор, пока приложенная вибрация или конденсирующаяся затравочная добавка не инициируют центры кристаллизации . Это обычная ситуация для капель атмосферных облаков.
Метастабильные фазы распространены в конденсированных средах и кристаллографии. Так обстоит дело с анатазом , метастабильным полиморфом 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] Другой пример: алмаз является стабильной фазой только при очень высоких давлениях, но является метастабильной формой углерода при стандартных температуре и давлении . Его можно превратить в графит (плюс оставшуюся кинетическую энергию), но только после преодоления энергии активации – промежуточного холма. Мартенсит — это метастабильная фаза, используемая для контроля твердости большинства сталей. Обычно наблюдаются метастабильные полиморфные модификации кремнезема . В некоторых случаях, например, в аллотропах твердого бора , получение образца стабильной фазы затруднено. [2]
Связи между строительными блоками полимеров, такими как ДНК , РНК и белки , также метастабильны. Аденозинтрифосфат — это высоко метастабильная молекула, которую в просторечии называют «полной энергии», и которую можно использовать многими способами в биологии. [3]
Вообще говоря, эмульсии / коллоидные системы и стекла метастабильны. Метастабильность кварцевого стекла, например, характеризуется временем жизни порядка 10 98 лет [4] (по сравнению со временем жизни Вселенной, которое, как полагают, составляет около13,787 × 10 9 лет). [5]
Песчаные отвалы — это одна из систем, которая может проявлять метастабильность при наличии крутого склона или туннеля. Зерна песка образуют кучку из-за трения . Вполне возможно, что вся большая куча песка достигнет точки, в которой она станет устойчивой, но добавление одного зерна приведет к разрушению больших ее частей.
Лавины — хорошо известная проблема, связанная с большими кучами снега и кристаллами льда на крутых склонах . В засушливых условиях снежные склоны действуют аналогично песчаным кучам. Целый склон горы снега может внезапно скатиться из-за присутствия лыжника или даже из-за громкого шума или вибрации.
Обнаружено, что агрегированные системы субатомных частиц , описываемые квантовой механикой ( кварки внутри нуклонов , нуклоны внутри атомных ядер , электроны внутри атомов , молекулы или атомные кластеры ), имеют множество различимых состояний. Из них одно (или небольшое вырожденное множество ) бесконечно стабильно: основное состояние или глобальный минимум .
Все остальные состояния, кроме основного (или вырождающиеся вместе с ним), имеют более высокие энергии. [6] Из всех этих других состояний метастабильными являются те состояния, время жизни которых длится как минимум в 10 2–10 3 раз дольше, чем самые короткоживущие состояния из набора. [7]
В этом случае метастабильное состояние является долгоживущим (локально стабильным по отношению к конфигурациям «соседних» энергий), но не вечным (как глобальный минимум ). Будучи возбужденным (с энергией выше основного состояния), он в конечном итоге перейдет в более стабильное состояние, высвобождая энергию. Действительно, выше абсолютного нуля все состояния системы имеют ненулевую вероятность распада; то есть спонтанно перейти в другое состояние (обычно с более низкой энергией). Одним из механизмов этого является туннелирование .
Некоторые энергетические состояния атомного ядра (имеющие различное пространственное распределение массы, заряда, спина и изоспина ) гораздо долговечнее других ( ядерные изомеры того же изотопа ), например технеций-99m . [8] Изотоп тантал-180m , хотя и является метастабильным возбужденным состоянием, достаточно долгоживущ, поэтому его распад никогда не наблюдался, а период полураспада рассчитан как наименьший.4,5 × 10 16 лет, [9] [10] более чем в 3 миллиона раз превышает нынешний возраст Вселенной .
Некоторые уровни атомной энергии метастабильны. Ридберговские атомы являются примером метастабильных возбужденных атомных состояний. Переходы с метастабильных возбужденных уровней обычно запрещены правилами отбора электрических диполей . Это означает, что любые переходы с этого уровня маловероятны. В каком-то смысле там оказывается захваченным электрон, оказавшийся в метастабильной конфигурации. Поскольку переходы из метастабильного состояния не невозможны (просто менее вероятны), электрон в конечном итоге распадется в менее энергетическое состояние, обычно за счет электрического квадрупольного перехода или часто за счет безызлучательного девозбуждения (например, столкновительного девозбуждения). .
Это свойство медленного распада метастабильного состояния проявляется в фосфоресценции — виде фотолюминесценции , наблюдаемом в светящихся в темноте игрушках, которые можно зарядить, предварительно подвергнув воздействию яркого света. В то время как спонтанное излучение атомов имеет типичный временной масштаб порядка 10 -8 секунд, распад метастабильных состояний обычно может занимать от миллисекунд до минут, поэтому свет, излучаемый при фосфоресценции, обычно является одновременно слабым и продолжительным.
В химических системах система атомов или молекул с изменением химической связи может находиться в метастабильном состоянии, которое сохраняется в течение относительно длительного периода времени. Молекулярные вибрации и тепловое движение делают химические соединения на энергетическом эквиваленте вершины круглого холма очень недолговечными. Метастабильные состояния, которые сохраняются в течение многих секунд (или лет), встречаются в энергетических долинах , которые не являются минимально возможными (точка 1 на иллюстрации). Распространенным типом метастабильности является изомерия .
Стабильность или метастабильность данной химической системы зависит от ее окружающей среды, особенно от температуры и давления . Разница между созданием стабильного и метастабильного объекта может иметь важные последствия. Например, наличие неправильной кристаллической полиморфной модификации может привести к отказу лекарственного средства при хранении 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 регионах, где конкретное состояние не является самым стабильным, оно все же может быть метастабильным.Промежуточные продукты реакции относительно недолговечны и обычно термодинамически нестабильны, а не метастабильны. ИЮПАК рекомендует называть их временными , а не метастабильными. [12]
Метастабильность также используется для обозначения конкретных ситуаций в масс-спектрометрии [13] и спектрохимии. [14]
Предполагается, что цифровая схема находится в небольшом количестве устойчивых цифровых состояний в течение определенного периода времени после изменения входа. Однако если входной сигнал изменяется в неподходящий момент, цифровая схема, использующая обратную связь (даже простая схема, такая как триггер ) , может перейти в метастабильное состояние , и ей потребуется неограниченный промежуток времени, чтобы окончательно перейти в полностью стабильное цифровое состояние.
Метастабильность в мозге — это явление, изучаемое в вычислительной нейробиологии с целью выяснить, как человеческий мозг распознает закономерности. Здесь термин метастабильность используется довольно широко. Состояния с более низкой энергией не существует, но в мозгу есть полупереходные сигналы, которые сохраняются некоторое время и отличаются от обычного состояния равновесия.
Это очень стабильная молекула. Около 11 500 калорий свободной энергии высвобождается при ее гидролизе до фосфата и аденозиндифосфата (АДФ).