Métastabilité - Metastability

Un état métastable de liaison plus faible (1), une configuration de transition en « selle » (2) et un état stable de liaison plus forte (3).

En chimie et en physique , la métastabilité désigne un état énergétique intermédiaire au sein d'un système dynamique autre que l' état de moindre énergie du système . Une balle reposant dans un creux sur une pente est un exemple simple de métastabilité. Si la balle n'est que légèrement poussée, elle se réinstallera dans son creux, mais une poussée plus forte peut la faire dévaler la pente. Les quilles de bowling montrent une métastabilité similaire en vacillant simplement pendant un moment ou en se renversant complètement. L' isomérisation est un exemple courant de métastabilité en science . Les isomères d'énergie plus élevée ont une longue durée de vie car ils sont empêchés de se réarranger vers leur état fondamental préféré par des barrières (éventuellement grandes) dans l'énergie potentielle.

Au cours d'un état métastable de durée de vie finie, tous les paramètres décrivant l'état atteignent et conservent des valeurs stationnaires. En isolement:

  • l'état de moindre énergie est le seul que le système habitera pendant une durée indéfinie, jusqu'à ce que plus d'énergie externe soit ajoutée au système (état unique "absolument stable");
  • le système quittera spontanément tout autre état (d'énergie plus élevée) pour éventuellement revenir (après une séquence de transitions) à l'état le moins énergétique.

Le concept de métastabilité trouve son origine dans la physique des transitions de phase du premier ordre . Il a ensuite acquis un sens nouveau dans l'étude des particules subatomiques agrégées (dans les noyaux atomiques ou dans les atomes) ou dans les molécules, les macromolécules ou les amas d'atomes et de molécules. Plus tard, il a été emprunté pour l'étude des systèmes de prise de décision et de transmission de l'information.

La métastabilité est courante en physique et en chimie - d'un atome (assemblage à plusieurs corps) à des ensembles statistiques de molécules (fluides visqueux, solides amorphes , cristaux liquides, minéraux , etc.) aux niveaux moléculaires ou dans leur ensemble (voir États métastables de la matière et tas de céréales ci-dessous). L'abondance d'états est plus répandue à mesure que les systèmes grandissent et/ou si les forces de leur interaction mutuelle sont spatialement moins uniformes ou plus diverses.

Dans les systèmes dynamiques (avec rétroaction ) comme les circuits électroniques, le trafic de signaux, les systèmes décisionnels et les neurosciences, l'invariance temporelle des modèles actifs ou réactifs par rapport aux influences externes définit la stabilité et la métastabilité (voir métastabilité cérébrale ci-dessous). Dans ces systèmes, l'équivalent des fluctuations thermiques dans les systèmes moléculaires est le « bruit blanc » qui affecte la propagation du signal et la prise de décision.

Physique statistique et thermodynamique

La thermodynamique hors équilibre est une branche de la physique qui étudie la dynamique d'ensembles statistiques de molécules via des états instables. Être "coincé" dans un creux thermodynamique sans être à l'état d'énergie le plus bas est connu comme ayant une stabilité cinétique ou étant cinétiquement persistant. Le mouvement ou la cinétique particulière des atomes impliqués a entraîné un blocage, malgré l'existence d'alternatives préférables (à faible énergie).

États de la matière

Les états métastables de la matière (également appelés métaétats ) vont de la fusion des solides (ou des liquides gelés), des liquides bouillants (ou des gaz de condensation) et de la sublimation des solides aux liquides surfondus ou aux mélanges liquide-gaz surchauffés . L'eau surfondue extrêmement pure reste liquide en dessous de 0 °C et le reste jusqu'à ce que des vibrations appliquées ou un dopage de germe de condensation initie des centres de cristallisation . C'est une situation courante pour les gouttelettes de nuages ​​atmosphériques.

Matière condensée et macromolécules

Les phases métastables sont courantes dans la matière condensée et la cristallographie. C'est notamment le cas de l' anatase , un polymorphe métastable du dioxyde de titane , qui, bien qu'étant généralement la première phase à se former dans de nombreux processus de synthèse en raison de sa faible énergie de surface , est toujours métastable, le rutile étant la phase la plus stable à toutes les températures. et les pressions. Autre exemple, le diamant est une phase stable uniquement à des pressions très élevées, mais est une forme métastable de carbone à température et pression standard . Il peut être converti en graphite (plus l'énergie cinétique restante), mais seulement après avoir surmonté une énergie d'activation - une colline intermédiaire. La martensite est une phase métastable utilisée pour contrôler la dureté de la plupart des aciers. Des polymorphes métastables de la silice sont couramment observés. Dans certains cas, comme dans les allotropes du bore solide , l'acquisition d'un échantillon de la phase stable est difficile.

Les liaisons entre les éléments constitutifs des polymères tels que l' ADN , l' ARN et les protéines sont également métastables. L'adénosine triphosphate est une molécule hautement métastable, familièrement décrite comme étant « pleine d'énergie » qui peut être utilisée de plusieurs façons en biologie.

De manière générale, les émulsions / systèmes colloïdaux et les verres sont métastables par exemple la métastabilité du verre de silice est caractérisée par des durées de vie de l'ordre de 10 98 ans par rapport à la durée de vie de l'Univers qui est d'environ 14·10 9 ans.

Les tas de sable sont un système qui peut présenter une métastabilité si une pente raide ou un tunnel est présent. Les grains de sable forment un tas à cause du frottement . Il est possible qu'un gros tas de sable entier atteigne un point où il est stable, mais l'ajout d'un seul grain provoque l'effondrement de grandes parties de celui-ci.

L' avalanche est un problème bien connu avec de gros amas de neige et de cristaux de glace sur des pentes raides. Dans des conditions sèches, les pentes de neige agissent de la même manière que les tas de sable. Un flanc de montagne entier de neige peut soudainement glisser en raison de la présence d'un skieur, ou même d'un bruit ou d'une vibration intense.

Mécanique quantique

Les systèmes agrégés de particules subatomiques décrits par la mécanique quantique ( quarks à l' intérieur des nucléons , nucléons à l' intérieur des noyaux atomiques , électrons à l' intérieur des atomes , des molécules ou des amas atomiques ) présentent de nombreux états distincts. Parmi ceux-ci, un (ou un petit ensemble dégénéré ) est indéfiniment stable : l' état fondamental ou minimum global .

Tous les autres états en dehors de l'état fondamental (ou ceux qui dégénèrent avec lui) ont des énergies plus élevées. De tous ces autres états, les états métastables sont ceux ayant des durées de vie d'au moins 10 2 à 10 3 fois plus longues que les états les plus courts de l'ensemble.

Un état métastable est alors de longue durée (localement stable par rapport aux configurations d'énergies « voisines ») mais pas éternel (comme l'est le minimum global ). Étant excité - d'une énergie au-dessus de l'état fondamental - il finira par se désintégrer vers un état plus stable, libérant de l'énergie. En effet, au-dessus du zéro absolu , tous les états d'un système ont une probabilité non nulle de décroître ; c'est-à-dire tomber spontanément dans un autre état (généralement plus faible en énergie). Un mécanisme pour que cela se produise est le tunneling .

Physique nucléaire

Certains états énergétiques d'un noyau atomique (ayant des distributions spatiales distinctes de masse, de charge, de spin, d' isospin ) ont une durée de vie beaucoup plus longue que d'autres ( isomères nucléaires du même isotope ), par exemple le technétium-99m . L'isotope tantale-180m , bien qu'étant un état excité métastable, a une durée de vie suffisamment longue pour qu'on n'ait jamais observé sa désintégration, avec une demi-vie calculée pour être la moins4,5 × 10 16 ans, plus de 3 millions de fois l' âge actuel de l'univers .

Physique atomique et moléculaire

Certains niveaux d'énergie atomique sont métastables. Les atomes de Rydberg sont un exemple d'états atomiques excités métastables. Les transitions à partir de niveaux excités métastables sont typiquement celles interdites par les règles de sélection des dipôles électriques . Cela signifie que toute transition à partir de ce niveau est relativement peu probable. En un sens, un électron qui se trouve dans une configuration métastable y est piégé. Bien sûr, étant donné que les transitions d'un état métastable ne sont pas impossibles (simplement moins probable), l'électron finira par se désintégrer à un état moins énergétique, généralement par une transition quadripolaire électrique, ou souvent par désexcitation non radiative (par exemple, collisionnelle de -excitation).

Cette propriété de décomposition lente d'un état métastable est apparente dans la phosphorescence , le type de photoluminescence observée dans les jouets phosphorescents qui peuvent être chargés en étant d'abord exposés à une lumière vive. Alors que l'émission spontanée dans les atomes a une échelle de temps typique de l'ordre de 10 -8 secondes, la désintégration des états métastables peut généralement prendre de quelques millisecondes à quelques minutes, et donc la lumière émise en phosphorescence est généralement à la fois faible et de longue durée.

Chimie

Dans les systèmes chimiques, un système d'atomes ou de molécules impliquant un changement de liaison chimique peut être dans un état métastable, qui dure relativement longtemps. Les vibrations moléculaires et le mouvement thermique rendent les espèces chimiques à l'équivalent énergétique du sommet d'une colline ronde très éphémères. Les états métastables qui persistent pendant plusieurs secondes (ou années) se retrouvent dans les vallées énergétiques qui ne sont pas les plus basses possibles (point 1 de l'illustration). L' isomérie est un type courant de métastabilité .

La stabilité ou la métastabilité d'un système chimique donné dépend de son environnement, en particulier de la température et de la pression . La différence entre produire une entité stable et métastable peut avoir des conséquences importantes. Par exemple, le fait d'avoir le mauvais polymorphe cristallin peut entraîner l'échec d'un médicament pendant son stockage entre la fabrication et l'administration. La carte dont l'état est le plus stable en fonction de la pression, de la température et/ou de la composition est connue sous le nom de diagramme de phases . Dans les régions où un état particulier n'est pas le plus stable, il peut encore être métastable. Les intermédiaires de réaction ont une durée de vie relativement courte et sont généralement thermodynamiquement instables plutôt que métastables. L' IUPAC recommande de les qualifier de transitoires plutôt que de métastables.

La métastabilité est également utilisée pour désigner des situations spécifiques en spectrométrie de masse et en spectrochimie.

Métastabilité du réseau

La théorie de la métastabilité et de l'hystérésis ainsi que les simulations dans les structures de réseau ont été étudiées par Majdandzic et al. De plus, l'hystérésis dans les systèmes couplés a été étudiée par Majdandzic et al. Des signes d'hystérésis du réseau et de métastabilité dans le trafic urbain ont été trouvés par Zeng et al.

Circuits électroniques

Un circuit numérique est supposé se trouver dans un petit nombre d'états numériques stables dans un certain laps de temps après un changement d'entrée. Cependant, si une entrée change au mauvais moment, un circuit numérique qui utilise un retour (même un circuit simple tel qu'une bascule ) peut entrer dans un état métastable et prendre un temps illimité pour finalement s'installer dans un état numérique totalement stable.

Neurosciences computationnelles

La métastabilité dans le cerveau est un phénomène étudié en neurosciences computationnelles pour élucider comment le cerveau humain reconnaît les modèles. Ici, le terme métastabilité est utilisé de manière assez vague. Il n'y a pas d'état d'énergie inférieure, mais il existe des signaux semi-transitoires dans le cerveau qui persistent pendant un certain temps et sont différents de l'état d'équilibre habituel.

Voir également

Les références