Metastabiileja

Metastabiileja tiloja ovat järjestelmän tiloja, jotka ovat paikallisesti energian kannalta vakaita, mutta eivät globaalisti alimmillaan oleva tila. Ne voivat säilyä pitkään, ennen kuin järjestelmä ylittää energian esteen tai joutuu ulkoisen häiriön vaikutuksen alaiseksi. Metastabiilius ilmenee monissa luonnontieteissä ja tekniikassa.

Metastabiilit tilat syntyvät energian maisemassa, jossa on useita paikallisia minimejä. Paikallinen minimi on vaka, mutta siirtymä globaalin minimipaikan suuntaan vaatii energianesteen ylittämistä. Tällaiset tilat voivat kestää kauan; niiden elinikä noudattaa usein Arrhenius-suhdetta: τ ≈ τ0 exp(ΔE/kT). Korkeampi lämpötila tai suuremmat häiriöt nopeuttavat siirtymää, kun taas matalissa lämpötiloissa siirtymää voidaan edistää kvanttipurkutus.

Esimerkkejä metastabiileista tiloista löytyy kemiasta, materiaalitieteestä ja kondensoidusta aineesta. Supersaturaatiotilanteet, epäjärjestäytyneet faasit sekä hitaasti mutatoituvat polymorfiset tilat ovat tyypillisiä esimerkkejä. Kiteittymisen yhteydessä eri allotroopien, kuten grafiitin ja timantin, välillä vallitsevat metastabiilit tilat riippuen paineen ja lämmön historiallisista tekijöistä. Lasimaiset, epäjärjestäytyneet tilat ovat muita tunnettuja metastabiileja tiloja, jotka pyrkivät crystallisoitumaan.

Merkitys ja sovellukset vaihtelevat: toisinaan metastabiilit tilat aiheuttavat huolia esimerkiksi materiaalin kestävyyden tai laitteen luotettavuuden suhteen, mutta niitä voidaan myös hyödyntää suunnittelussa muistijärjestelmissä ja kontrolloiduissa faasimuutoksissa.

Metastabiiliutta käsitellään lukuisilla tieteenaloilla, ja sen ymmärtäminen auttaa selittämään muuttuvien järjestelmien aikatauluja ja reaktioita.