Metastabiliteetti

Heikomman sidoksen meta­stabiili tila (1), välivaiheena esiintyvä satulakonfiguraatio (2) ja vahvemman sidoksen stabiili tila (3).

Metastabiliteetti eli meta­stabiilius merkitsee ilmiötä, jossa systeemi voi pysyä pitkähkön ajan tilassa, jossa sen energia ei ole pienin mahdollinen. Systeemin ollessa meta­stabiilissa tilassa kaikki sen tilaa kuvaavat parametrit saavat stationaariset, vakioina pysyvät arvot.

Jokaisella eristetyllä systeemillä on tietty vakaa pienimmän energian tila eli perustila. Sen ohella systeemillä voi olla useitakin meta­stabiileja tiloja, jotka ovat kohtalaisen pysyviä. Meta­stabiilin tilan purkautuminen edellyttää yleensä tietyn määrän ulkoisesta lähteestä saatua energiaa, mutta kun tämä tapahtuu, energiaa vapautuu enemmän kuin tämän kynnysenergian verran (jota kemiassa sanotaan aktivointienergiaksi).

Metastabiilit systeemit ovat yleisiä monilla aloilla kuten mekaniikassa, kemiassa, termodynamiikassa ja atomi- ja ydinfysiikassa sekä elektroniikassa. Monet monimutkaiset luonnolliset ja keinotekoiset systeemit ovat meta­stabiileja. Sellaiset ovat yleisiä ainakin mekaniikassa, kemiassa, termo­dynamiikassa ja elektroniikassa. Nykyään meta­stabiiliuden käsitettä käytetään myös neurotieteissä ja päätöksentekoteoriassa.

Yksinkertainen esimerkki meta­stabiilista systeemistä on pallo mäen harjanteella olevassa kuopassa. Tällöin sen potentiaalienergia ei ole minimissään, mutta sillä on kuopan pohjan kohdalla paikallinen minimi, eikä se lähde liikkeeseen, ellei se saa ulkoisesta lähteestä lisää energiaa. Jos sitä kuitenkin työnnetään johonkin suuntaan sen verran, että se ylittää kuoppaa ympäröivän vallin, se alkaa vieriä alemmaksi.

Takaisinkytkennällä varustetut dynaamiset systeemit kuten elektroniset piirit, signaaliliikenne, päätöksentekojärjestelmät ja neurotieteelliset systeemit ovat stabiileja tai meta­stabiileja riippuen siitä, pysyykö aktiivisten ja reaktiivisten mallien suhde ulkoisiin vaikutuksiin ajallisesti vakiona vai ei. Näissä termisten fluktuaatioiden vastineena on niin sanottu valkoinen kohina, joka vaikuttaa signaalinen etenemiseen ja päätöksentekoon.

Statistinen fysiikka ja termodynamiikka

Termodynamiikassa tutkitaan myös tiloja, joissa systeemi ei ole termisessä tasapainossa. Atomien tai muiden hiukkasten lämpöliike saattaa ikään kuin "lukkiutua" tilaan, jossa sen energia ei ole pienin mahdollinen. Tällaisen tilan sanotaan olevan "kineettisesti persistentti".

Aineen olomuodot

Aineen meta­stabiileja olomuotoja ovat esimerkiksi ali­jäähtyneet ja yli­kuumentuneet nesteet . Täysin puhdas alijäähtynyt vesi voi jonkin pysyä nestemäisenä 0 °C:n alapuolella olevissa lämpö­tiloissa, kunnes se joutuu kosketuksiin jonkin kiinteän hiukkasen kanssa, jonka ympärille se alkaa kiteytyä. Ilmakehän pilvissä vesi on usein alijäähtyneenä.

Tiivis aine ja makromolekyylit

Meta­stabiilit faasit ovat yleisiä tiivissä aineessa. Esimerkiksi timantti on normaalissa lämpötilassa ja paineessa hiilen meta­stabiili muoto. Se voi sopivissa olosuhteissa muuttua grafiitiksi vapauttaen energiaa, mikä alhaisessa paineessa ja yli 1900 kelvinin lämpötilassa tapahtuukin nopeasti. Martensiitti on meta­stabiili faasi, jolla säädetään useimpien teräslaatujen kovuutta. Polymeerien kuten DNA:n, RNA:n ja proteiinien rakenneosasten väliset sidokset ovat myös meta­stabiileja. Kvartsin meta­stabiilit polymorfit ovat myös yleisiä. Joskus, esimerkiksi kiinteän boorin eli allotrooppien tapauksessa, stabiilista faasista koostuva näyte on jopa vaikea valmistaa. Yleensä myös emulsiot, kolloidit ja lasit ovat aineen meta­stabiileja muotoja.

Hiekkakasat ja lumivyöryt

Pieni lumivyöry Mount Bakerin hiihtokeskuksessa havainnollistaa meta­stabiilisuutta

Jyrkässä rinteessä tai tunnelissa hiekkakasat voivat olla meta­stabiilissa tilassa. Hiekan jyväset muodostavat kasoja, jotka kitkan vaikutuksesta ovat pysyviä. Kokonainen suuri hiekkakasa voi päätyä tilaan, jossa se on vakaa, mutta jos siihen lisätään yksikin hiekanjyvänen, se saa laajan osan kasasta romahtamaan.

Samaan tapaan rinteisiin kerääntynyt lumi ja jääkiteet voivat purkautua lumivyöryinä, jotka ovatkin vuoristoalueilla yleisiä onnettomuuksia. Kuivissa olosuhteissa vuorille kertyneet lumikasat voi romahtaa samaan tapaan kuin hiekkakasat. Kokonaisen vuoren rinteeltä lumi saattaa yhtäkkiä lähteä vyörymään alas esimerkiksi hiihtäjän tai pelkän kovan äänenkin vaikutuksesta.

Metastabiilit systeemit kvanttimekaniikassa

Monet kvanttimekaniikassa kuvatut, useamman subatomisen hiukkasen muodostamat systeemit (esimerkiksi kvarkit nukleoneissa, nukleonit atomiytimissä, elektronit atomeissa ja molekyyleissä ja atomi­klustereissa) voivat esiintyä monissa toisistaan selvästi erotettuvissa tiloissa. Näistä yleensä yksi on täysin vakaa perustila, jossa energia on minimissään; toisinaan tällaisia perustiloja tosin saattaa olla useitakin, jotka muodostavat pienen joukon degeneroituneita energiatiloja.

Kaikissa muissa tiloissa systeemillä on suurempi energia kuin perustilassa. Näistä muista tiloista meta­stabiileiksi katsotaan yleensä ne, joiden puoliintumisaika on ainakin 10² tai 10³ kertaa suurempi kuin systeemin lyhytikäisimpien tilojen.

Metastabiili tila on siis pitkäikäinen, mutta ei kestä loppumattomiin. Se on viritystila, jossa energiaa on enemmän kuin perustilassa, ja lopulta se hajoaa stabiilimpaan tilaan luovuttaen energiaa. Itse asiassa absoluuttisen nollapisteen yläpuolella systeemin kaikilla tiloilla on nollasta poikkeava todennäköisyys hajota, toisin sanoen siirtyä toiseen, yleensä alempaan energiatilaan. Yksi menetelmä, jolla tämä voi tapahtua, on kvanttimekaaninen tunneloituminen.

Ydinfysiikassa

Nuklidi on atomiydintyyppi, jossa on tietty määrä protoneja ja neutroneja. Jokaista nuklidilla on tietty, sille ominainen massaluku ja varaus, mutta samallakin ytimellä voi perustilan lisäksi olla useita viritystiloja, joissa sillä on suurempi energia. Yleensä viritystilat purkautuvat niin nopeasti, alle 10^-10 sekunnissa, ettei niiden elinikää voida mitata. Jos viritystila kuitenkin on sen verran pitkäikäinen, että sen elinikä voidaan mitata, ydintä sanotaan isomeeriseksi ytimeksi. Tällöin on kyseessä ytimen meta­stabiili tila. Viritystilan purkautuessa ydin lähettää gammasäteilyä. meta­stabiileille isomeereille käytetään merkintää, jossa massaluvun jälkeen on lisätty pieni m-kirjain. Sellainen on esimerkiksi teknetium-99m, jolla on poikkeuksellisen pitkä elinikä, hieman yli kuusi tuntia.

Atomi- ja molekyylifysiikassa

Myös jotkin atomien elektroniverhojen viritystilat ovat meta­stabiileja. Esimerkiksi Rydbergin atomit ovat atomien meta­stabiileja viritystiloja. Atomin siirtymisen tällaisesta tilasta perustilaan estävät tai ainakin tekevät jokseenkin epätodennäköisiksi sähköisten dipolien valinta­säännöt. Elektroni, joka päätyy meta­stabiilille orbitaalille, jää tavallaan suljetuksi sinne. Kun siirtyminen tällaisesta tilasta perustilaan on kuitenkin mahdollinen, joskin epätodennäköinen, elektroni kuitenkin lopulta päätyy spontaanisti alhaisemmalle energiatasolle lähettämällä säteilyä.

Tätä elektronien ominaisuutta käytetään hyväksi lasereissa. Kun atomiin osuu valoa, jolla on tietty aallonpituus, elektronit siirtyvät korkeampaan energiatasoon. Kun valon saapuminen lakkaa, virittyneet elektronit palaavat alkuperäiseen tilaansa, useimmiten jo 10^-8 sekunnissa. Jos elektroni kuitenkin on päätynyt meta­stabiiliin tilaan, se pysyy siellä kauemmin, yleensä noin 10^-3 sekuntia. Tämän vuoksi elektronit kasaantuvat meta­stabiileihin tiloihin, koska niihin siirtyy elektroneja nopeammin kuin niitä palaa sieltä perustilaan. Tätä ilmiötä, johon laserin toiminta perustuu, sanotaan populaatioinversioksi.

Joissakin aineissa elektroni saattaa pysyä meta­stabiilissa tilassa jopa useita tunteja. Tällainen aine tulee valon vaikutuksesta itsevalaisevaksi ja pysyy sellaisena vielä useita tunteja, vaikka se siirretään pimeään, kunnes kaikki elektronit ovat palanneet perustilalle. Ilmiötä sanotaan fosforesenssiksi.

Kemiassa

Katso myös: kemiallinen tasapaino

Kemiassa atomien tai molekyylien muodostama systeemi on meta­stabiili, jos sen molaarinen Gibbsin energia ei ole pienin mahdollinen, mutta aktivoitumisenergia, kota siirtyminen tähän stabiiliin tilaan edellyttää, on suurempi kuin vallitseva lämpötila kerrottuna Boltzmannin vakiolla. Meta­stabiili tila vastaa siis Gibbsin energian paikallista minimiä, stabiili eli pienimmän energian tila taas sen kaikkein pienintä arvoa. Yllä olevassa kaaviossa meta­stabiilit tilat ovat siis verrattavissa laaksoihin tai kuoppiin (piste 1), stabiili tila taas kaikkein alimpaan laaksoon (piste 3). Molekyylien värähtelyjen ja lämpö­liikkeen vuoksi kemialliset aineet, jotka ener­geetti­sesti ovat verrattavissa pyöreän kukkulan huippuun, ovat hyvin lyhyt­ikäisiä. Meta­stabiilit tilat sen sijaan voivat säilyä useita sekunteja tai jopa vuosia.

Yleinen meta­stabiliteetin tyyppi on isomeria. Isomeerit ovat kemiallisia yhdisteitä, joiden molekyyli sisältävät samojen alkuaineiden atomeja kutakin yhtä monta, mutta eri tavoin toisiinsa nähden sijoittuneina. Koska näillä on yleensä eri suuri muodostumislämpö, keskenään isomeerisista yhdisteistä vain yksi on stabiili. Muutkin voivat silti olla meta­stabiileja ja jokseenkin pitkäikäisiä, koska isomeerin muuttamiseen toiseksi tarvitaan vähintään tietyn suuruinen aktivoitumisenergia.

Kemiallisen systeemin stabiilius tai meta­stabiilius riippuu ympäristöstä, erityisesti lämpötilasta ja paineesta. Sillä, onko syntynyt aineen stabiili vai meta­stabiili muoto, voi olla huomattavia seurauksia. Esimerkiksi jokin lääkeaine on valmistuksen tai varastoinnin aikana kiteytynyt väärään kidemuotoon, se saattaa menettää tehonsa. Kaaviota, joka osoittaa, mikä muoto missäkin lämpötilassa, paineessa ja/tai kokoon­panossa on vakain, sanotaan faasidiagrammiksi. Diagrammin alueilla, jossa tietty muoto ei ole vakain, se saattaa silti olla meta­stabiili.

Reaktioiden välivaiheina syntyvät aineet ovat lyhyt­ikäisiä, ja ne ovat termo­dynaamisesti pikemminkin epävakaita kuin meta­stabiileja. IUPAC suositteleekin niitä sanottavan mieluummin transienteiksi kuin meta­stabiileiksi.

Metastabiileja ovat myös eräät tilat massaspektrometriassa ja spektrokemiassa.

Elektroniset piirit

Elektroniikassa meta­stabiliteetti on yleensä ongelma. Muuttuvan virtapiirin oletetaan asettuvan johonkin pienestä määrästä tiloja, mutta jos sillä on altis meta­stabiliteetille, se saattaa lukkiutua ei-toivottuun tilaan.

Laskennallinen neurotiede

Metastabiilisuus aivoissa on laskennallisessa neuro­tieteessä tutkittu ilmiö, jolla yritetään selvittää, miten ihmisaivot tunnistavat malleja. Tässä yhteydessä termiä "meta­stabiili" käytetään jokseenkin epätäsmällisessä merkityksessä. Kysymys ei ole siitä, että olisi myös alempia energiatiloja; sen sijaan aivot saavat signaaleja, jotka kestävät jonkin aikaa ja poikkeavat tavan­omaisesta tasapaino­tilasta.

Katso myös

• Hystereesi