metastabiilisuus

Metastabiilisuus on tila, jossa järjestelmä on paikallisessa energianminimissä, mutta ei globaalisti vakaimmassa tilassa. Tällainen tila on suhteellisesti kestävä: se voi pysyä pitkän aikaa, mutta lopullinen, alimpaan energiatilaan johtava siirtymä on mahdollista, kun järjestelmä ylittää energiaportin eli barrierin. Siirtymisen nopeuteen vaikuttavat ympäristöolosuhteet kuten lämpötila sekä barrierin korkeus; suurempi barrieri tarkoittaa pidempää metastabiilisuutta.

Mekanismin taustalla on energia­maisema, jossa monta tilaa on paikallisia minimejä. Järjestelmä pyrkii tavoittelemaan absoluuttista minimiä, mutta barrierin vuoksi siirtyminen tapahtuu satunnaisesti, esimerkiksi lämpötilan kautta tai ulkoisen häiriön käynnistäessä prosessin. Siirtymänopeus noudattaa usein Arrhenius-tyyppistä riippuvuutta: suurempi energiarajan ylittäminen – ja/tai pienempi lämpötila – hidastaa kehitystä.

Esimerkkejä ja sovelluksia:

- Kemia ja materiaali: supersaturaatiot ja faasimuutokset voivat olla metastabiileja tiloja, jotka voivat ajan myötä tulla erottuviksi faasiksi. Diamantti on käytännössä metastabiili grafiittiin nähden joissain oloissa, ja lasi on amorfiainen tila, joka voi kristallisoitua ajan myötä.

- Fysiikka: superkylmätty vesi ja ylikuumennettu neste voivat säilyä metastabiileina pitkiä aikoja ennen siirtymistä toiseen tilaan.

- Elektroniikka: metastabiilius voi ilmetä flip-flop -lohkoissa, kun tulos on epävarma lähdön ja kytkimen synkronoinnin epäonnistuessa; suunnittelussa huomioidaan stabilointi ja synchronointi.

- kosmologia: on puhetta "false vacuum" -metastabiilisuudesta, jossa universumi voi olla tilassa, joka ei ole todellinen vakaain tila, vaan ei-toivottu turvallisuus.

Metastabiilisuus korostaa, että pitkäaikainen vakaus ei aina tarkoita absoluuttista pysyvyyttä, vaan tilaan liittyy mahdollista, hallittua tai hallitsematonta muutosta korkeamman energian kautta.