¿Qué representa realmente el estado metaestable?

Metaestabilidad

Un estado metaestable de enlace más débil (1), una configuración de ‘montura’ de transición (2) y un estado estable de enlace más fuerte (3).

La metaestabilidad denota el fenómeno cuando un sistema aislado pasa un tiempo prolongado en una configuración distinta del estado de menor energía del sistema. Durante un estado metaestable de vida útil finita, todos los parámetros que describen el estado alcanzan y mantienen valores estacionarios. Mientras está aislado:

• el estado de menor energía es el único en el que el sistema habitará indefinidamente (estado único “absolutamente estable”);
• el sistema dejará espontáneamente cualquier otro estado (de mayor energía) para regresar eventualmente (después de una secuencia de transiciones) al estado menos energético.

Se puede dibujar una analogía de una sola partícula con una bola apoyada en un hueco en una pendiente. Con cierta perturbación, la pelota puede comenzar a rodar nuevamente a niveles más bajos. La isomerización es otro ejemplo común, donde los isómeros de mayor energía tienen una larga vida ya que las barreras (posiblemente grandes) en la energía potencial impiden que se reorganicen al estado fundamental.
El concepto de metaestabilidad se origina en la física de las transiciones de fase de primer orden más tarde para adquirir nuevos significados en el estudio de partículas subatómicas agregadas (en núcleos atómicos o en átomos) o en moléculas, macromoléculas o grupos de átomos y moléculas. Más tarde fue prestado para el estudio de la toma de decisiones y los sistemas de transmisión de información.
Muchos sistemas naturales y artificiales complejos pueden demostrar metaestabilidad.

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• La metaestabilidad es común en física y química: desde un átomo (ensamblaje de muchos cuerpos) hasta conjuntos estadísticos de moléculas (fluidos viscosos, sólidos amorfos, cristales líquidos, etc.) a niveles moleculares o en su conjunto (consulte las fases metaestables de las pilas de materia y granos a continuación) . La abundancia de estados es más frecuente a medida que los sistemas se hacen más grandes y / o si las fuerzas de su interacción mutua son espacialmente menos uniformes o más diversas.
• En los sistemas dinámicos (con retroalimentación), como los circuitos electrónicos, el tráfico de señales, los sistemas de decisión y la neurociencia, es la invariancia temporal de los patrones activos o reactivos con respecto a las influencias externas lo que define la estabilidad y la metaestabilidad del cerebro (ver metaestabilidad cerebral a continuación). Aquí, el equivalente de las fluctuaciones térmicas es el “ruido blanco” que afecta la propagación de la señal y la toma de decisiones.

Física estadística y termodinámica.

La termodinámica del 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 cinéticamente persistente . La particular orquesta de movimiento de los átomos involucrados ha provocado que se atasque, a pesar de que existen alternativas preferibles (de baja energía).

Estados de materia

Los estados metaestables de la materia varían desde sólidos de fusión (o líquidos de congelación ), líquidos en ebullición (o gases de condensación ) y sólidos sublimados hasta líquidos sobreenfriados o mezclas de líquidos y gases sobrecalentados. El agua sobreenfriada extremadamente pura permanece líquida por debajo de 0 ° C y permanece así hasta que las vibraciones aplicadas o el dopado de semillas de condensación inicien los centros de cristalización. Esta es una situación común para las gotas de nubes atmosféricas.

Materia condensada y macromoléculas

Las fases metaestables son comunes en la materia condensada. Por ejemplo, el diamante es una forma metaestable de carbono a temperatura y presión estándar. Se puede convertir en grafito (más la energía cinética restante), pero solo después de superar la energía de activación, una colina que interviene. La martensita es una fase metaestable utilizada para controlar la dureza de la mayoría del acero. Los enlaces entre los bloques de construcción de polímeros como el ADN, el ARN y las proteínas también son metaestables. Los polimorfos metaestables de sílice se observan comúnmente. En algunos casos, como en los alótropos de solidboron, es difícil obtener una muestra de la fase estable. En términos generales, las emulsiones / sistemas coloidales y los vidrios son metaestables.

Pequeñas avalanchas demuestran metaestabilidad en el área de esquí de Mount Baker.

Las pilas de arena son un sistema que puede exhibir metaestabilidad si hay una pendiente o túnel empinado. Los granos de arena forman una pila debido a la fricción. Es posible que un montón de arena grande y completo llegue a un punto estable, pero la adición de un solo grano hace que grandes partes se colapsen.
La avalancha es un problema bien conocido con grandes montones de nieve y cristales de hielo en pendientes pronunciadas. En condiciones secas, las pendientes de nieve actúan de manera similar a las pilas de arena. Una ladera entera de nieve puede deslizarse repentinamente debido a la presencia de un esquiador, o incluso a un ruido fuerte o vibración.

Mecánica cuántica

Se encuentra que los sistemas agregados de partículas subatómicas descritas por la mecánica cuántica (nucleones quarksinside, nucleones dentro de núcleos atómicos, electrones dentro de átomos, moléculas o agrupaciones oratómicas) tienen muchos estados distinguibles. De estos, uno (o un pequeño conjunto degenerado) es indefinidamente estable: el estado fundamental o el 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 102 a 103 veces más que los estados de vida más corta del conjunto. [Cita requerida]
Un estado metaestable es entonces de larga duración (localmente estable con respecto a las configuraciones de las energías ‘vecinas’) pero no eterno (como lo es el mínimo global). Al estar excitado, por 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 de descomposición distinta de cero; es decir, caer espontáneamente en otro estado (generalmente más bajo en 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 de masa espacial, carga, espín, isospin) tienen una vida mucho más larga que otros (isómeros nucleares del mismo isótopo). Por ejemplo, tecnecio-99m. [2]

-Física atómica y molecular

Algunos niveles de energía atómica son metaestables. Los átomos de Radberg son un ejemplo de estados atómicos excitados metaestables. Las transiciones desde niveles excitados metaestables son típicamente las prohibidas por las reglas de selección de dipolos eléctricos. Esto significa que cualquier transición de este nivel es relativamente improbable. En cierto sentido, un electrón que se encuentra en una configuración metaestable está atrapado allí. Por supuesto, dado que las transiciones fuera de un estado metaestable no son imposibles (simplemente improbables), el electrón eventualmente podrá decaer a un estado menos energético por emisión espontánea.

Esta propiedad del electrón se usa en láseres. Cuando la luz de longitud de onda adecuada cae sobre los átomos, sus electrones saltan a un estado de mayor energía. Cuando se eliminan las radiaciones entrantes, el electrón excitado vuelve a su nivel original, generalmente dentro de una duración de alrededor de 10−8 segundos. Sin embargo, cuando un electrón pasa a un estado metaestable, permanece allí durante una duración relativamente más larga de 10-3 segundos. Este fenómeno conduce a la acumulación de electrones en el estado metaestable, ya que la velocidad de adición de electrones al estado metaestable es mayor que la velocidad de su desexcitación. Esto lleva al fenómeno llamado inversión de la población, que forma la base de la acción láser de los láseres.

-Química

En los sistemas químicos, un sistema de átomos o moléculas que implican 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 sean el equivalente energético de la cima de una colina redonda de muy corta duración. 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 el isomerismo.

La estabilidad o la metaestabilidad de un sistema químico dado depende de su entorno, particularmente la temperatura y la presión. La diferencia entre producir una entidad estable frente a una metaestable puede tener consecuencias importantes. Por ejemplo, tener el polimorfo cristalino incorrecto puede provocar el fracaso de un medicamento durante el almacenamiento entre la fabricación y la administración. [3] El mapa de qué estado es el más estable en función de la presión, temperatura y / o composición se conoce como diagrama de fase. En regiones donde un estado particular no es el más estable, aún puede ser metaestable.
Los intermedios de reacción son relativamente de corta duración, y generalmente 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.

-Sistemas electrónicos en bioquímica.

La evolución de un sistema cuántico de muchos cuerpos entre su conjunto característico de estados puede estar influenciada por las siguientes acciones externas:

• El entorno puede actuar caóticamente sobre el sistema y agregar incertidumbre a todas las energías estatales (al tiempo que disminuye sus vidas), como en la ampliación de la línea espectral.
• Del mismo modo, las acciones exteriores resonantes pueden empujar al sistema a un estado de energía cohesiva más bajo mientras lo hacen liberar una cantidad intrínseca o cuantos de su energía, como en las emisiones estimuladas.
• Alternativamente, los campos catalíticos externos de fuerzas pueden aplanar brevemente algunas de las barreras (crestas que separan los valles adyacentes) en el paisaje potencial del sistema y ayudarlo a atravesar los estados de menor energía (ver imagen de arriba).
• Por último, pero no menos importante, bajo el impacto de acciones externas térmicas o direccionales, algunos sistemas (ver complejos de macromoléculas que involucran asociación enzima-cofactor) pueden deambular durante períodos de tiempo extremadamente largos entre un cierto subgrupo de sus estados (todos con configuraciones distintas pero diferencias de energía dentro del rango de fluctuación térmica). Como tal, las enzimas entrarán en una secuencia de reacción bioquímica con una configuración inicial , actuarán a través de sus muchos pasos como catalizadores mientras se retuercen continuamente, y eventualmente dejarán esa secuencia de reacción en la misma configuración que han ingresado, lista para realizar nuevamente.

-Circuitos electrónicos

La metaestabilidad en la electrónica suele verse como un problema. Se supone que un circuito cambiante se asienta en uno de los pocos estados deseados, pero si el circuito es vulnerable a la metaestabilidad, puede atascarse en un estado no deseado.

-Neurociencia Computacional

La metaestabilidad en el cerebro es un fenómeno que se está estudiando en neurociencia computacional para dilucidar cómo la mente humana reconoce los patrones. El término metaestabilidad aquí se usa de manera bastante flexible. No hay un estado de baja energía, pero hay señales semi-transitorias en el cerebro que persisten por un tiempo y son diferentes al estado de equilibrio habitual.

Fuente: Wikipidea