Metaestabilidad

En química y física, la metaestabilidad denota un estado energético intermedio dentro de un sistema dinámico distinto del estado de menor energía del sistema. Una pelota que descansa en un hueco en una pendiente es un ejemplo simple de metaestabilidad. Si la pelota se empuja ligeramente, se asentará en su hueco, pero un empujón más fuerte puede hacer que la pelota comience a rodar por la pendiente. Los bolos muestran una metaestabilidad similar al simplemente tambalearse por un momento o volcarse por completo. Un ejemplo común de metaestabilidad en la ciencia es la isomerización. Los isómeros de mayor energía tienen una vida prolongada porque las barreras (posiblemente grandes) en la energía potencial les impiden reorganizarse a su estado fundamental preferido.

Durante un estado metaestable de vida finita, todos los parámetros que describen el estado alcanzan y mantienen valores estacionarios. En aislamiento:

• el estado de menor energía es el único que habitará el sistema por un período de tiempo indefinido, hasta que se agregue más energía externa al sistema (estado único "absolutamente estable");
• el sistema dejará espontáneamente cualquier otro estado (de mayor energía) para eventualmente regresar (después de una secuencia de transiciones) al estado de menor energía.

El concepto de metaestabilidad se originó en la física de las transiciones de fase de primer orden. Luego adquirió un nuevo significado en el estudio de partículas subatómicas agregadas (en núcleos atómicos o en átomos) o en moléculas, macromoléculas o grupos de átomos y moléculas. Posteriormente, se tomó prestado para el estudio de los sistemas de toma de decisiones y transmisión de información.

La metaestabilidad es común en física y química, desde un átomo (conjunto de muchos cuerpos) hasta conjuntos estadísticos de moléculas (fluidos viscosos, sólidos amorfos, cristales líquidos, minerales, etc.) a niveles moleculares o como un todo (consulte Estados metaestables de la materia). y montones de grano debajo). La abundancia de estados es más frecuente a medida que los sistemas crecen y/o si las fuerzas de su interacción mutua son espacialmente menos uniformes o más diversas.

En sistemas dinámicos (con retroalimentación) como circuitos electrónicos, tráfico de señales, sistemas decisionales, neuronales e inmunológicos, la invariancia en el tiempo de los patrones activos o reactivos con respecto a las influencias externas define la estabilidad y la metaestabilidad (consulte la metaestabilidad del cerebro a continuación). En estos sistemas, el equivalente de las fluctuaciones térmicas en los sistemas moleculares es el "ruido blanco" que afecta la propagación de la señal y la toma de decisiones.

Física estadística y termodinámica

La termodinámica de no equilibrio es una rama de la física que estudia la dinámica de conjuntos estadísticos de moléculas a través de estados inestables. Estar "atrapado" en un canal termodinámico sin estar en el estado de energía más bajo se conoce como tener estabilidad cinética o ser cinéticamente persistente. El movimiento particular o la cinética de los átomos involucrados ha provocado que se atasquen, a pesar de que existen alternativas preferibles (de menor energía).

Estados de materia

Los estados metaestables de la materia (también denominados metáestados) van desde la fusión de sólidos (o congelación de líquidos), la ebullición de líquidos (o condensación de gases) y la sublimación de sólidos hasta líquidos sobreenfriados o mezclas de líquido y gas sobrecalentadas. El agua superenfriada extremadamente pura se mantiene líquida por debajo de 0 °C y permanece así hasta que las vibraciones aplicadas o el dopaje de semillas condensadas inician los centros de cristalización. Esta es una situación común para las gotitas de las nubes atmosféricas.

Materia condensada y macromoléculas

Las fases metaestables son comunes en materia condensada y cristalografía. En particular, este es el caso de la anatasa, un polimorfo metaestable del dióxido de titanio que, a pesar de ser comúnmente la primera fase que se forma en muchos procesos de síntesis debido a su menor energía superficial, siempre es metaestable, siendo el rutilo la fase más estable a todas las temperaturas. y presiones. Como otro ejemplo, el diamante es una fase estable solo a presiones muy altas, pero es una forma metaestable de carbono a temperatura y presión estándar. Se puede convertir en grafito (más la energía cinética sobrante), pero solo después de superar una energía de activación: una colina intermedia. La martensita es una fase metaestable utilizada para controlar la dureza de la mayoría de los aceros. Se observan comúnmente polimorfos metaestables de sílice. En algunos casos, como en los alótropos de boro sólido, es difícil obtener una muestra de la fase estable.

Los enlaces entre los componentes básicos de polímeros como el ADN, el ARN y las proteínas también son metaestables. El trifosfato de adenosina es una molécula altamente metaestable, coloquialmente descrita como "llena de energía" que puede usarse de muchas maneras en biología.

En términos generales, las emulsiones/sistemas coloidales y los vidrios son metaestables, por ejemplo, la metaestabilidad del vidrio de sílice se caracteriza por tiempos de vida del orden de 10 años en comparación con el tiempo de vida del Universo, que es de unos 14·10 años.

Los montones de arena son un sistema que puede exhibir metaestabilidad si hay una pendiente empinada o un túnel. Los granos de arena forman una pila debido a la fricción. Es posible que toda una gran pila de arena alcance un punto en el que sea estable, pero la adición de un solo grano hace que gran parte se derrumbe.

La avalancha es un problema bien conocido con grandes montones de nieve y cristales de hielo en pendientes pronunciadas. En condiciones secas, las laderas de nieve actúan de manera similar a las pilas de arena. Toda la ladera de una montaña de nieve puede deslizarse repentinamente debido a la presencia de un esquiador, o incluso a un fuerte ruido o vibración.

Mecánica cuántica

Se encuentra que los sistemas agregados de partículas subatómicas descritos por la mecánica cuántica (quarks dentro de nucleones, nucleones dentro de núcleos atómicos, electrones dentro de átomos, moléculas o grupos atómicos) tienen muchos estados distinguibles. De estos, uno (o un pequeño conjunto degenerado) es indefinidamente estable: el estado fundamental o mínimo global.

Todos los demás estados además del estado fundamental (o aquellos que degeneran con él) tienen energías más altas. De todos estos otros estados, los estados metaestables son los que tienen vidas que duran al menos 10 a 10 veces más que los estados de vida más corta del conjunto.

Un estado metaestable es entonces de larga duración (localmente estable con respecto a las configuraciones de energías 'vecinas') pero no eterno (como lo es el mínimo global). Al estar excitado, de una energía por encima del estado fundamental, eventualmente decaerá a un estado más estable, liberando energía. De hecho, por encima del cero absoluto, todos los estados de un sistema tienen una probabilidad distinta de cero de decaer; es decir, caer espontáneamente en otro estado (generalmente de menor energía). Un mecanismo para que esto suceda es a través de túneles.

Física nuclear

Algunos estados energéticos de un núcleo atómico (que tienen distintas distribuciones espaciales de masa, carga, espín e isospín) son mucho más duraderos que otros (isómeros nucleares del mismo isótopo), por ejemplo, tecnecio-99m. El isótopo tantalio-180m, aunque es un estado excitado metaestable, tiene una vida lo suficientemente larga como para que nunca se haya observado que se desintegre, con una vida media calculada en menos4,5 × 10 años, más de 3 millones de veces la edad actual del universo.

Física atómica y molecular

Algunos niveles de energía atómica son metaestables. Los átomos de Rydberg son un ejemplo de estados atómicos excitados metaestables. Las transiciones desde niveles excitados metaestables son típicamente aquellas prohibidas por las reglas de selección de dipolos eléctricos. Esto significa que es relativamente poco probable que ocurra cualquier transición desde este nivel. En cierto sentido, un electrón que se encuentra en una configuración metaestable queda atrapado allí. Por supuesto, dado que las transiciones desde un estado metaestable no son imposibles (simplemente menos probables), el electrón eventualmente decaerá a un estado menos energético, típicamente por una transición de cuadrupolo eléctrico, o a menudo por desexcitación no radiativa (p. ej., desintegración por colisión). -excitación).

Esta propiedad de descomposición lenta de un estado metaestable es evidente en la fosforescencia, el tipo de fotoluminiscencia que se ve en los juguetes que brillan en la oscuridad y que pueden cargarse exponiéndose primero a la luz brillante. Mientras que la emisión espontánea en los átomos tiene una escala de tiempo típica del orden de 10 segundos, el decaimiento de los estados metaestables normalmente puede tardar de milisegundos a minutos, por lo que la luz emitida en la fosforescencia suele ser débil y duradera.

Química

En los sistemas químicos, un sistema de átomos o moléculas que implica un cambio en el enlace químico puede estar en un estado metaestable, que dura un período de tiempo relativamente largo. Las vibraciones moleculares y el movimiento térmico hacen que las especies químicas en el equivalente energético de la cima de una colina redonda tengan una vida muy corta. Los estados metaestables que persisten durante muchos segundos (o años) se encuentran en valles energéticos que no son el valle más bajo posible (punto 1 en la ilustración). Un tipo común de metaestabilidad es la isomería.

La estabilidad o metaestabilidad de un sistema químico dado depende de su entorno, particularmente de la temperatura y la presión. La diferencia entre producir una entidad estable y metaestable puede tener consecuencias importantes. Por ejemplo, tener el polimorfo cristalino incorrecto puede provocar la falla de un fármaco mientras está almacenado entre la fabricación y la administración. El mapa de qué estado es el más estable en función de la presión, la temperatura y/o la composición se conoce como diagrama de fase. En regiones donde un estado en particular no es el más estable, aún puede ser metaestable. Los intermedios de reacción tienen una vida relativamente corta y, por lo general, son termodinámicamente inestables en lugar de metaestables. La IUPAC recomienda referirse a estos como transitorios en lugar de metaestables.

La metaestabilidad también se utiliza para referirse a situaciones específicas en espectrometría de masas y espectroquímica.

Circuitos electrónicos

Se supone que un circuito digital se encuentra en una pequeña cantidad de estados digitales estables dentro de una cierta cantidad de tiempo después de un cambio de entrada. Sin embargo, si una entrada cambia en el momento equivocado, un circuito digital que emplea retroalimentación (incluso un circuito simple como un flip-flop) puede entrar en un estado metaestable y tomar un tiempo ilimitado para finalmente establecerse en un estado digital completamente estable.

Neurociencia Computacional

La metaestabilidad en el cerebro es un fenómeno estudiado en la neurociencia computacional para dilucidar cómo el cerebro humano reconoce patrones. Aquí, el término metaestabilidad se usa de manera bastante vaga. No existe un estado de menor energía, pero hay señales semitransitorias en el cerebro que persisten durante un tiempo y son diferentes al estado de equilibrio habitual.