En química y física , la metaestabilidad denota un estado energético intermedio dentro de un sistema dinámico distinto del estado de menor energía del sistema . Una bola que descansa en un hueco de una pendiente es un ejemplo sencillo de metaestabilidad. Si la bola se empuja sólo ligeramente, se asentará nuevamente en su hueco, pero un empujón más fuerte puede hacer que la bola ruede pendiente abajo. Los bolos muestran una metaestabilidad similar, ya sea simplemente bamboleándose 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 larga porque barreras (posiblemente grandes) en la energía potencial les impiden reorganizarse a su estado fundamental preferido .
Durante un estado metaestable de vida finita, todos los parámetros que describen el estado alcanzan y mantienen valores estacionarios. En aislamiento:
El concepto de metaestabilidad se originó 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 grupos de átomos y moléculas. Posteriormente fue tomado prestado 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 niveles moleculares o en su conjunto (ver Estados metaestables de la materia). y montones de granos debajo). La abundancia de estados es más frecuente a medida que los sistemas crecen 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 decisionales, 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 a continuación). En estos sistemas, el equivalente a las fluctuaciones térmicas en los sistemas moleculares es el " ruido blanco " que afecta a la propagación de la señal y a la toma de decisiones.
La termodinámica de 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 valle 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 provocado que se quede atascado, a pesar de que existen alternativas preferibles (de menor energía).
Los estados metaestables de la materia (también conocidos como metaestados ) van desde la fusión de sólidos (o la congelación de líquidos), la ebullición de líquidos (o la condensación de gases) y la sublimación de sólidos hasta líquidos sobreenfriados o mezclas de líquido y gas sobrecalentadas . El agua extremadamente pura y sobreenfriada permanece líquida por debajo de 0 °C y permanece así hasta que las vibraciones aplicadas o el dopaje de semillas condensado inician los 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 que se forma 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 sobrante), pero sólo 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. Comúnmente se observan polimorfos metaestables de sílice . En algunos casos, como en los alótropos del boro sólido , adquirir una muestra de la fase estable es difícil. [2]
Los enlaces entre los componentes básicos de polímeros como el ADN , el ARN y las proteínas también son metaestables. El trifosfato de adenosina es una molécula altamente metaestable, descrita coloquialmente como "llena de energía" que puede usarse de muchas maneras en biología. [3]
En general, las emulsiones / sistemas coloidales y los vidrios son metaestables. La metaestabilidad del vidrio de sílice, por ejemplo, se caracteriza por vidas del orden de 10 98 años [4] (en comparación con la vida útil del universo, que se cree que es de aproximadamente13,787 × 10 9 años). [5]
Los montones de arena son un sistema que puede exhibir metaestabilidad si hay una pendiente pronunciada o un túnel. Los granos de arena forman un montón debido a la fricción . Es posible que una gran pila de arena entera alcance un punto en el que sea estable, pero la adición de un solo grano hace que grandes partes colapsen.
Las avalanchas son un problema bien conocido que provoca grandes acumulaciones de nieve y cristales de hielo en pendientes pronunciadas. En condiciones secas, las pendientes nevadas actúan 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 fuerte ruido o vibración.
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 grupos atómicos ) tienen muchos estados distinguibles. De ellos, uno (o un pequeño conjunto degenerado ) es indefinidamente estable: el estado fundamental o mínimo global .
Todos los demás estados además del estado fundamental (o los que degeneran con él) tienen energías más altas. [6] De todos estos otros estados, los estados metaestables son los que tienen vidas 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 estar 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, caer espontáneamente en otro estado (normalmente de menor energía). Un mecanismo para que esto suceda es a través de túneles .
Algunos estados energéticos de un núcleo atómico (que tienen distintas distribuciones espaciales de masa, carga, espín e isospín ) son mucho más duraderos 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 lo suficientemente larga como para que nunca se haya observado que se desintegre, con una vida media calculada como mínima.4,5 × 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 suelen ser aquellas prohibidas por las reglas de selección de dipolos eléctricos . Esto significa que es relativamente improbable que se produzca cualquier transición desde este nivel. En cierto sentido, un electrón que se encuentra en una configuración metaestable queda atrapado allí. Dado que las transiciones desde un estado metaestable no son imposibles (simplemente menos probables), el electrón eventualmente decaerá a un estado menos energético, generalmente mediante una transición eléctrica de cuadrupolo o, a menudo, mediante desexcitación no radiativa (p. ej., desexcitación por colisión). .
Esta propiedad de desintegración lenta 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 exponiéndolos 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, la desintegración de los estados metaestables normalmente puede tardar de milisegundos a minutos, por lo que la luz emitida en 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 con 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, particularmente de la temperatura y la presión . La diferencia entre producir una entidad estable o metaestable puede tener consecuencias importantes. Por ejemplo, tener el polimorfo cristalino incorrecto puede provocar el fallo de un fármaco mientras se almacena entre su fabricación y su administración. [11] El mapa de qué estado es el más estable en función de la presión, temperatura y/o composición se conoce como diagrama de fases . En regiones donde un estado particular no es el más estable, aún puede ser metaestable. Los intermedios de reacción tienen una vida relativamente corta y suelen ser termodinámicamente inestables en lugar de metaestables. La IUPAC recomienda denominarlos 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 una pequeña cantidad 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 emplea retroalimentación (incluso un circuito simple como un flip-flop ) puede entrar en un estado metaestable y tardar un período de tiempo ilimitado para finalmente establecerse en un estado digital completamente estable.
La metaestabilidad en el cerebro es un fenómeno estudiado en 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 hay señales semitransitorias en el cerebro que persisten durante un tiempo y son diferentes al estado de equilibrio habitual.
Esta es una molécula muy estable. Se liberan alrededor de 11.500 calorías de energía libre cuando se hidroliza a fosfato y adenosina-difosfato (ADP).