En química y física , la metaestabilidad es un estado energético intermedio dentro de un sistema dinámico distinto del estado de menor energía del sistema . Una pelota que reposa en un hueco en una pendiente es un ejemplo simple de metaestabilidad. Si la pelota es empujada solo ligeramente, se asentará nuevamente en su hueco, pero un empujón más fuerte puede hacer que la pelota comience a rodar pendiente abajo. Los bolos muestran una metaestabilidad similar, ya sea tambaleándose solo por un momento o volcándose por completo. Un ejemplo común de metaestabilidad en la ciencia es la isomerización . Los isómeros de mayor energía tienen una vida útil prolongada porque las barreras (posiblemente grandes) en la energía potencial les impiden reorganizarse a su estado fundamental preferido .
Durante un estado metaestable de duración finita, todos los parámetros que describen el estado alcanzan y mantienen valores estacionarios. De manera aislada:
El concepto de metaestabilidad tiene su origen en la física de las transiciones de fase de primer orden . Luego adquirió un nuevo significado en el estudio de partículas subatómicas agregadas (en núcleos atómicos o en átomos) o en moléculas, macromoléculas o cúmulos de átomos y moléculas. Más tarde, se adoptó para el estudio de los sistemas de toma de decisiones y transmisión de información.
La metaestabilidad es común en física y química, desde un átomo (conjunto de muchos cuerpos) hasta conjuntos estadísticos de moléculas ( fluidos viscosos , sólidos amorfos , cristales líquidos , minerales , etc.) a nivel molecular o en su totalidad (ver Estados metaestables de la materia y pilas de 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 sistemas dinámicos (con retroalimentación ) como circuitos electrónicos, tráfico de señales, sistemas de toma de decisiones, neuronales e inmunológicos, la invariancia temporal de los patrones activos o reactivos con respecto a las influencias externas define la estabilidad y la metaestabilidad (ver metaestabilidad cerebral más adelante). En estos sistemas, el equivalente de las fluctuaciones térmicas en los sistemas moleculares es el " ruido blanco " que afecta la propagación de señales y la toma de decisiones.
La termodinámica del desequilibrio es una rama de la física que estudia la dinámica de conjuntos estadísticos de moléculas a través de estados inestables. Estar "atrapado" en un punto muerto termodinámico sin estar en el estado de energía más bajo se conoce como tener estabilidad cinética o ser cinéticamente persistente. El movimiento o la cinética particular de los átomos involucrados ha dado como resultado el estancamiento, a pesar de que existen alternativas preferibles (de menor energía).
Los estados metaestables de la materia (también denominados metaestados ) varían desde sólidos en fusión (o líquidos en congelación), líquidos en ebullición (o gases en condensación) y sólidos en sublimación hasta líquidos superenfriados o mezclas de líquido y gas supercalentadas . El agua extremadamente pura y superenfriada permanece líquida por debajo de 0 °C y permanece así hasta que se aplican vibraciones o se condensan semillas que inician centros de cristalización . Esta es una situación común para las gotitas de las nubes atmosféricas.
Las fases metaestables son comunes en materia condensada y cristalografía. Este es el caso de la anatasa , un polimorfo metaestable del dióxido de titanio , que a pesar de ser comúnmente la primera fase en formarse en muchos procesos de síntesis debido a su menor energía superficial , siempre es metaestable, siendo el rutilo la fase más estable a todas las temperaturas y presiones. [1] Como otro ejemplo, el diamante es una fase estable solo a presiones muy altas, pero 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 una energía de activación , una colina intermedia. La martensita es una fase metaestable que se utiliza para controlar la dureza de la mayoría del acero. Los polimorfos metaestables de sílice se observan comúnmente. En algunos casos, como en los alótropos del boro sólido , la adquisición de una muestra de la fase estable es difícil. [2]
Los enlaces entre los componentes básicos de los polímeros, como el ADN , el ARN y las proteínas, también son metaestables. El trifosfato de adenosina (ATP) es una molécula altamente metaestable, descrita coloquialmente como "llena de energía" que puede utilizarse de muchas maneras en biología. [3]
En términos generales, las emulsiones / sistemas coloidales y los vidrios son metaestables. La metaestabilidad del vidrio de sílice, por ejemplo, se caracteriza por una vida útil del orden de 10 98 años [4] (en comparación con la vida útil del universo, que se cree que es de alrededor de 10 98 años).13.787 × 10 9 años). [5]
Los montones de arena son un sistema que puede presentar metaestabilidad si existe una pendiente pronunciada o un túnel. Los granos de arena forman un montón debido a la fricción . Es posible que un montón de arena grande y completo alcance un punto en el que sea estable, pero la adición de un solo grano hace que grandes partes del mismo colapsen.
Las avalanchas son un problema bien conocido que se produce cuando se forman grandes acumulaciones de nieve y cristales de hielo en pendientes pronunciadas. En condiciones secas, las pendientes de nieve se comportan de manera similar a los montones de arena. Una ladera entera de nieve puede deslizarse repentinamente debido a la presencia de un esquiador o incluso a un ruido o vibración fuertes.
Se ha descubierto que los sistemas agregados de partículas subatómicas descritos por la mecánica cuántica ( quarks dentro de nucleones , nucleones dentro de núcleos atómicos , electrones dentro de átomos , moléculas o cúmulos atómicos ) tienen muchos estados diferenciables. De ellos, uno (o un pequeño conjunto degenerado ) es indefinidamente estable: el estado fundamental o mínimo global .
Todos los demás estados, excepto el estado fundamental (o aquellos degenerados con él), tienen energías más altas. [6] De todos estos otros estados, los estados metaestables son los que tienen vidas medias que duran al menos 10 2 a 10 3 veces más que los estados de vida más corta del conjunto. [7]
Un estado metaestable es entonces de larga duración (localmente estable con respecto a las configuraciones de energías "vecinas") pero no eterno (como lo es el mínimo global ). Al ser excitado -de 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 distinta de cero de decaer; es decir, de caer espontáneamente a otro estado (generalmente de menor energía). Un mecanismo para que esto suceda es a través del efecto túnel .
Algunos estados energéticos de un núcleo atómico (que tienen distribuciones espaciales de masa, carga, espín e isospín distintas ) tienen una vida mucho más larga que otros ( isómeros nucleares del mismo isótopo ), por ejemplo, el tecnecio-99m . [8] El isótopo tantalio-180m , aunque es un estado excitado metaestable, tiene una vida tan larga que nunca se ha observado que se desintegra, con una vida media calculada en menos de4,5 × 10 16 años, [9] [10] más de 3 millones de veces la edad actual del universo .
Algunos niveles de energía atómica son metaestables. Los átomos de Rydberg son un ejemplo de estados atómicos excitados metaestables. Las transiciones desde niveles excitados metaestables son típicamente aquellas prohibidas por las reglas de selección de dipolos eléctricos . Esto significa que es relativamente improbable que ocurran transiciones desde este nivel. En cierto sentido, un electrón que se encuentre en una configuración metaestable queda atrapado allí. Dado que las transiciones desde un estado metaestable no son imposibles (simplemente menos probables), el electrón eventualmente se desintegrará a un estado menos energético, típicamente por una transición de cuadrupolo eléctrico, o a menudo por desexcitación no radiativa (por ejemplo, desexcitación por colisión).
Esta propiedad de decaimiento lento de un estado metaestable es evidente en la fosforescencia , el tipo de fotoluminiscencia que se observa en los juguetes que brillan en la oscuridad y que pueden cargarse al exponerse primero a una luz brillante. Mientras que la emisión espontánea en los átomos tiene una escala de tiempo típica del orden de 10 −8 segundos, el decaimiento de los estados metaestables puede tardar típicamente entre milisegundos y minutos, por lo que la luz emitida en la fosforescencia suele ser débil y duradera.
En los sistemas químicos, un sistema de átomos o moléculas que implica 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 en el equivalente energético de la cima de una colina redonda tengan una vida muy corta. 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 la isomería .
La estabilidad o metaestabilidad de un sistema químico determinado depende de su entorno, en particular de la temperatura y la presión . La diferencia entre producir una entidad estable y metaestable puede tener consecuencias importantes. Por ejemplo, tener el polimorfo cristalino incorrecto puede provocar que un fármaco falle durante el almacenamiento entre su fabricación y su administración. [11] El mapa de qué estado es el más estable en función de la presión, la temperatura o la composición se conoce como diagrama de fases . En las regiones en las que un estado particular no es el más estable, puede ser metaestable. Los intermediarios de reacción tienen una vida relativamente corta y, por lo general, son termodinámicamente inestables en lugar de metaestables. La IUPAC recomienda referirse a ellos como transitorios en lugar de metaestables. [12]
La metaestabilidad también se utiliza para referirse a situaciones específicas en espectrometría de masas [13] y espectroquímica. [14]
Se supone que un circuito digital se encuentra en un pequeño número de estados digitales estables dentro de un cierto período de tiempo después de un cambio de entrada. Sin embargo, si una entrada cambia en el momento equivocado, un circuito digital que utiliza retroalimentación (incluso un circuito simple como un flip-flop ) puede entrar en un estado metaestable y tardar un tiempo ilimitado en establecerse finalmente en un estado digital completamente estable.
La metaestabilidad en el cerebro es un fenómeno que se estudia en la neurociencia computacional para dilucidar cómo el cerebro humano reconoce patrones. Aquí, el término metaestabilidad se utiliza de manera bastante vaga. No existe un estado de menor energía, pero sí hay señales semitransitorias en el cerebro que persisten durante un tiempo y son diferentes del estado de equilibrio habitual.
Gilbert Simondon invoca una noción de metaestabilidad para su comprensión de los sistemas que, en lugar de resolver sus tensiones y potenciales de transformación en un único estado final, "conserva las tensiones en el equilibrio de la metaestabilidad en lugar de anularlas en el equilibrio de la estabilidad", como una crítica de las nociones cibernéticas de homeostasis . [15]
Se liberan alrededor de 11.500 calorías de energía libre cuando se hidroliza a fosfato y adenosín-difosfato (ADP).