Метастабильность - Metastability

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

В химии и физике , метастабильность обозначает промежуточное энергетическое состояние в динамической системе , отличной от системы состояния наименьшей энергии . Шар, упавший в дупло на склоне, - простой пример метастабильности. Если толкнуть мяч лишь слегка, он вернется в свое углубление, но при более сильном толчке мяч может скатиться по склону. Кегли для боулинга демонстрируют 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 предпочтительное основное состояние. барьерами (возможно большими) в потенциальной энергии.

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

  • состояние наименьшей энергии - единственное, в котором система будет находиться в течение неопределенного промежутка времени, пока к системе не будет добавлено 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 фазовых переходов первого рода . Затем он приобрел новое значение при изучении агрегированных субатомных частиц (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 обычна в физике и химии - от атома (многочастичная сборка) до статистических ансамблей молекул (вязкие жидкости, аморфные твердые тела , жидкие кристаллы, минералы и т. Д.) На молекулярных уровнях или в целом (см. Метастабильные состояния вещества. и груды зерна внизу). Обилие состояний преобладает по мере роста систем и / или если силы их взаимного взаимодействия пространственно менее однородны или более разнообразны.

В динамических системахобратной связью ), таких как электронные схемы, передача сигналов, системы принятия решений и нейробиология, неизменность во времени активных или реактивных паттернов по отношению к внешним воздействиям определяет стабильность и метастабильность (см. Метастабильность мозга ниже). В этих системах эквивалентом тепловых флуктуаций в молекулярных системах является «белый шум», который влияет на распространение сигнала и принятие решений.

Статистическая физика и термодинамика

Неравновесная термодинамика - это 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. Конкретное движение или кинетика задействованных атомов привело к застреванию, несмотря на то, что существуют предпочтительные (с меньшей энергией) альтернативы.

состояния вещества

Метастабильные состояния вещества (также называемые метастатами ) варьируются от плавления твердых тел (или замерзающих жидкостей), кипящих жидкостей (или конденсирующихся газов) и сублимации твердых тел до переохлажденных жидкостей или перегретых жидкостей с газом. Чрезвычайно чистая, переохлажденная вода остается жидкостью при температуре ниже 0 ° C и остается таковой до тех пор, пока приложенные вибрации или конденсационное легирование затравки не инициируют центры кристаллизации . Это обычная ситуация для капель атмосферных облаков.

Конденсированные вещества и макромолекулы

Метастабильные фазы широко используются в конденсированных средах и кристаллографии. Примечательно, что это относится к анатазу , метастабильному полиморфу диоксида титана , который, несмотря на то, что обычно является первой фазой, образующейся во многих процессах синтеза из-за его более низкой поверхностной энергии , всегда является метастабильным, причем рутил является наиболее стабильной фазой при всех температурах. и давления. Другой пример: 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 оставшаяся кинетическая энергия), но только после преодоления энергии активации - промежуточного холма. Мартенсит - это метастабильная фаза, используемая для контроля твердости большинства сталей. Метастабильные полиморфные из диоксида кремния обычно наблюдаются. В некоторых случаях, например, в случае аллотропов твердого бора , получение образца стабильной фазы затруднено.

Связи между строительными блоками полимеров, такими как ДНК , РНК и белки , также являются метастабильными. Аденозинтрифосфат - это высоко метастабильная молекула, в просторечии описываемая как «полная энергии», которую можно во многих отношениях использовать в биологии.

Вообще говоря, эмульсии / коллоидные системы и стекла метастабильны, например, метастабильность кварцевого стекла характеризуется временем жизни порядка 10 98 лет по сравнению со временем жизни Вселенной, которое составляет около 14 · 10 9 лет.

Песчаные насыпи - одна из систем, которые могут проявлять метастабильность при наличии крутого склона или туннеля. Зерна песка образуют груду из-за трения . Возможно, что вся большая куча песка достигнет точки, в которой она станет устойчивой, но добавление единственного зерна вызывает ее обрушение.

Лавина является хорошо известной проблемой с большими грудами снега и кристаллы 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

Обнаружено, что агрегированные системы субатомных частиц, описываемые квантовой механикой ( кварки внутри нуклонов , нуклоны внутри атомных ядер , электроны внутри атомов , молекулы или атомные кластеры ), имеют много различимых состояний. Одно из них (или небольшое вырожденное множество ) бесконечно устойчиво: основное состояние или глобальный минимум .

Все другие состояния, кроме основного (или вырожденных с ним), имеют более высокие энергии. Из всех этих других государств, метастабильные состояния являются те , имеющие время жизни в течение по крайней мере 10 2 до 10 3 раз больше , чем в кратчайшие долгоживущих состояний множества.

В этом случае метастабильное состояние является долгоживущим (локально устойчивым по отношению к конфигурациям «соседних» энергий), но не вечным (как глобальный минимум ). Будучи возбужденным - с энергией выше основного состояния - он в конечном итоге распадется до более стабильного состояния, высвобождая энергию. Действительно, выше абсолютного нуля все состояния системы имеют ненулевую вероятность распада; то есть самопроизвольно перейти в другое состояние (обычно более низкое по энергии). Один из механизмов этого - туннелирование .

Ядерная физика

Некоторые энергетические состояния атомного ядра (с различными пространственными распределениями массы, заряда, спина, изоспина ) намного более продолжительны, чем другие ( ядерные изомеры того же изотопа ), например технеций-99m . Изотоп тантала-180m , хотя и является метастабильным возбужденным состоянием, является достаточно долгоживущим, поэтому его распад никогда не наблюдался, а его период полураспада, по расчетам, является наименьшим.4,5 × 10 16 лет, что более чем в 3 миллиона раз превышает нынешний возраст Вселенной .

Атомная и молекулярная физика

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

Это свойство медленного распада метастабильного состояния проявляется в фосфоресценции , типе фотолюминесценции, наблюдаемой 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 химической связи, может находиться в метастабильном состоянии, которое сохраняется в течение относительно длительного периода времени. Молекулярные колебания и тепловое движение делают химические соединения на энергетическом эквиваленте вершины круглого холма очень недолговечными. Метастабильные состояния, которые сохраняются в течение многих секунд (или лет), обнаруживаются в энергетических долинах, которые не являются самой нижней возможной долиной (точка 1 на иллюстрации). Распространенный тип метастабильности - изомерия .

Стабильность или метастабильность данной химической системы зависит от окружающей среды, в частности от температуры и давления . Разница между получением стабильной и метастабильной сущностей может иметь важные последствия. Например, наличие неправильного кристаллического полиморфа может привести к неэффективности лекарственного средства при хранении между производством и введением. Карта наиболее стабильного состояния в зависимости от давления, температуры и / или состава называется фазовой диаграммой . В регионах, где конкретное состояние не самое стабильное, оно все еще может быть метастабильным. Промежуточные продукты реакции относительно недолговечны и обычно термодинамически нестабильны, а не метастабильны. ИЮПАК рекомендует ссылаясь на них как переходная , а не метастабильной.

Метастабильность также используется для обозначения конкретных ситуаций в масс-спектрометрии и спектрохимии.

Сетевая метастабильность

Теория метастабильности и гистерезиса, а также моделирование сетевых структур изучались Majdandzic et al. Кроме того, гистерезис в связанных системах был изучен Majdandzic et al. Признаки сетевого гистерезиса и метастабильности в городском движении были обнаружены Zeng et al.

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 триггер ), может войти в метастабильное состояние и занять неограниченное время, чтобы окончательно перейти в полностью стабильное цифровое состояние.

Вычислительная нейробиология

Метастабильность в головном мозге - это явление, изучаемое вычислительной нейробиологией для выяснения того, 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.

Смотрите также

использованная литература