Метастабильность - Metastability

Метастабильное состояние более слабой связи (1), переходная «седловая» конфигурация (2) и стабильное состояние более сильной связи (3).

В физика, метастабильность стабильное состояние динамическая система кроме системы состояние наименьшей энергии.Простой пример метастабильности - шар, упирающийся в дупло на склоне. Если толкнуть мяч лишь слегка, он вернется в свое углубление, но при более сильном толчке мяч может скатиться по склону. Кегли для боулинга показывают аналогичную метастабильность, либо просто покачиваясь на мгновение, либо полностью опрокидываясь. Типичный пример метастабильности в науке: изомеризация. Изомеры с более высокой энергией являются долгоживущими, потому что им не дают перегруппироваться в их предпочтительные основное состояние за счет (возможно больших) барьеров в потенциальной энергии.

Во время метастабильного состояния конечного времени жизни все параметры, описывающие состояние, достигают и сохраняют стационарные значения. В изоляции:

состояние с наименьшей энергией - единственное, в котором система будет находиться в течение неопределенного промежутка времени, пока к системе не добавится больше внешней энергии (уникальное «абсолютно стабильное» состояние);
система самопроизвольно покидает любое другое состояние (с более высокой энергией), чтобы в конечном итоге вернуться (после последовательности переходов) в состояние с наименьшей энергией.

Концепция метастабильности зародилась в физике фазовые переходы первого рода. Затем он приобрел новое значение при изучении агрегированных субатомные частицы (в атомных ядрах или в атомах) или в молекулах, макромолекулах или кластерах атомов и молекул. Позже он был заимствован для исследования систем принятия решений и передачи информации.

Метастабильность часто встречается у физика и химия - от атома (многочастичная сборка) 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 груды зерна ниже). Обилие состояний преобладает по мере роста систем и / или если силы их взаимного взаимодействия пространственно менее однородны или более разнообразны.

В динамические системы (с Обратная связь ) таких как электронные схемы, трафик сигналов, системы принятия решений и нейробиология - неизменность во времени активных или реактивных паттернов относительно внешних воздействий определяет стабильность и метастабильность (см. метастабильность в мозг ниже). В этих системах эквивалент тепловые колебания в молекулярных системах это «белый шум», который влияет на распространение сигнала и принятие решений.

Статистическая физика и термодинамика

Неравновесная термодинамика - раздел физики, изучающий динамику статистических ансамблей молекул через нестабильные состояния. Быть «застрявшим» в термодинамической впадине, не находясь в состоянии с наименьшей энергией, известно как наличие кинетической стабильности или кинетической стойкости. Особое движение или кинетика вовлеченных атомов привело к застреванию, несмотря на то, что существуют предпочтительные (более низкоэнергетические) альтернативы.

состояния вещества

Метастабильный состояния вещества (также называемый метастаты ) варьируются от плавления твердых тел (или замерзающих жидкостей) до кипящих жидкостей (или конденсирующихся газов) и сублимирующие твердые вещества к переохлажденный жидкости или перегретый газожидкостные смеси. Чрезвычайно чистая, переохлажденная вода остается жидкой при температуре ниже 0 ° C и остается таковой до тех пор, пока не начнутся вибрации или конденсация легирования затравки. кристаллизация центры. Это обычная ситуация для капель атмосферных облаков.

Конденсированные вещества и макромолекулы

Метастабильные фазы широко распространены в конденсированных средах и кристаллографии. Примечательно, что это касается анатаз, метастабильный полиморф оксид титана, который, несмотря на то, что обычно является первой фазой во многих процессах синтеза из-за его более низкого поверхностная энергия, всегда метастабильна, с рутил самая стабильная фаза 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 стандартная температура и давление. Его можно преобразовать в графит (плюс оставшаяся кинетическая энергия), но только после преодоления энергия активации - промежуточный холм. Мартенсит метастабильная фаза, используемая для контроля твердости большинства сталей. Метастабильный полиморфы из кремнезем обычно наблюдаются. В некоторых случаях, например, в аллотропы твердых бор, получение образца стабильной фазы затруднено.^[2]

Связи между строительными блоками полимеры Такие как ДНК, РНК, и белки также метастабильны. Аденозинтрифосфат представляет собой высокометастабильную молекулу, которую в просторечии называют «полной энергии», которую можно во многих отношениях использовать в биологии.^[3]

Вообще говоря, эмульсии /коллоидный системы и очки метастабильны, например метастабильность кварцевого стекла характеризуется временем жизни порядка 10⁹⁸ годы ^[4] по сравнению со временем жизни Вселенной, которое составляет около 14 · 10⁹ годы.

Куча песка представляют собой систему, которая может проявлять метастабильность при наличии крутого склона или туннеля. Песчинки образовывать кучу из-за трение. Возможно, что вся большая куча песка достигнет точки, в которой она станет стабильной, но добавление единственной песчинки вызывает обрушение больших ее частей.

В лавина Это хорошо известная проблема с большими горами снега и кристаллами льда на крутых склонах. В засушливых условиях снежные склоны действуют аналогично песчаным насыпям. Весь снежный склон горы может внезапно соскользнуть из-за присутствия лыжника или даже из-за громкого шума или вибрации.

Квантовая механика

Агрегированные системы субатомные частицы описанный квантовая механика (кварки внутри нуклоны, нуклоны внутри атомные ядра, электроны внутри атомы, молекулы, или же атомные кластеры ) обнаруживают много различимых состояний. Из них один (или небольшой вырожденный набор ) бесконечно устойчива: основное состояние или же глобальный минимум.

Все другие состояния, кроме основного (или вырожденных с ним), имеют более высокие энергии.^[5] Из всех этих других состояний метастабильный государства имеют время жизни продолжительностью не менее 10² до 10³ раз дольше, чем самые короткоживущие состояния множества.^{[нужна цитата ]}

А метастабильное состояние тогда является долгоживущим (локально стабильный относительно конфигураций "соседних" энергий), но не вечных (как глобальный минимум является). Будучи возбужденным - с энергией выше основного состояния - он в конечном итоге распадется до более стабильного состояния, высвобождая энергию. Действительно, выше абсолютный ноль, все состояния системы имеют ненулевую вероятность распада; то есть самопроизвольно перейти в другое состояние (обычно более низкое по энергии). Один из механизмов для этого - через туннелирование.

Ядерная физика

Некоторые энергетические состояния атомное ядро (имеющий различную пространственную массу, заряд, спин, изоспин дистрибутивов) намного долговечнее, чем другие (ядерные изомеры того же самого изотоп ), например технеций-99m.^[6] Изотоп тантал-180м, хотя и является метастабильным возбужденным состоянием, он достаточно долгоживущий, поэтому его распад никогда не наблюдался, с расчетным периодом полураспада как минимум 4.5×10¹⁶ годы,^[7]^[8] более чем в 3 миллиона раз больше текущего возраст вселенной.

Атомная и молекулярная физика

Некоторые уровни атомной энергии метастабильны. Ридберговские атомы являются примером метастабильных возбужденных состояний атома. Переходы с метастабильных возбужденных уровней обычно запрещены электрическими диполями. правила отбора. Это означает, что любые переходы с этого уровня относительно маловероятны. В некотором смысле электрон, оказавшийся в метастабильной конфигурации, оказывается там в ловушке. Конечно, поскольку переходы из метастабильного состояния не являются невозможными (просто менее вероятными), электрон в конечном итоге распадется в менее энергичное состояние, обычно за счет электрического квадрупольного перехода или часто за счет безызлучательного девозбуждения (например, столкновительного деформирования). -возбуждение).

Это свойство медленного распада метастабильного состояния проявляется в фосфоресценция, вид фотолюминесценция наблюдается в светящихся в темноте игрушках, которые можно заряжать, предварительно подвергнув их воздействию яркого света. В то время как спонтанное излучение в атомах имеет типичный временной масштаб порядка 10⁻⁸ секунд, распад метастабильных состояний обычно может длиться от миллисекунд до минут, поэтому свет, излучаемый при фосфоресценции, обычно бывает слабым и продолжительным.

Химия

В химических системах - система атомов или молекул, включающая изменение химическая связь может находиться в метастабильном состоянии, которое длится относительно длительный период времени. Молекулярные колебания и тепловое движение делают химические соединения на энергетическом эквиваленте вершины круглого холма очень недолговечными. Метастабильные состояния, сохраняющиеся в течение многих секунд (или лет), встречаются в энергетическом долины которые не являются самой нижней возможной впадиной (точка 1 на иллюстрации). Распространенным типом метастабильности является изомерия.

Стабильность или метастабильность данной химической системы зависит от окружающей среды, в частности температура и давление. Разница между получением стабильной и метастабильной сущностей может иметь важные последствия. Например, неправильный кристалл полиморф может привести к отказу лекарства при хранении между производством и введением.^[9] 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 еще может быть метастабильным.Промежуточные продукты реакции относительно недолговечны и обычно термодинамически нестабильны, а не метастабильны. В ИЮПАК рекомендует называть их преходящий а не метастабильный.^[10]

Метастабильность также используется для обозначения конкретных ситуаций в масс-спектрометрии.^[11] и спектрохимия.^[12]

Электронные схемы

Предполагается, что цифровая схема находится в небольшом количестве стабильных цифровых состояний в течение определенного промежутка времени после изменения входа. Однако, если вход изменяется в неподходящий момент, цифровая схема, использующая обратную связь (даже простая схема, такая как резкий поворот ) может войти в метастабильное состояние и потребуется неограниченное время, чтобы, наконец, прийти к полностью стабильному цифровому состоянию.

Вычислительная нейробиология

Метастабильность в головном мозге это явление изучалось в вычислительная нейробиология чтобы выяснить, как человеческий мозг распознает закономерности. Здесь термин «метастабильность» используется довольно свободно. Нет состояния с более низкой энергией, но в мозгу есть полупереходные сигналы, которые сохраняются в течение некоторого времени и отличаются от обычного состояния равновесия.