Metastabiilsus — definitsioon ja näited füüsikas ning looduses

Metastabiilsus — lihtne definitsioon ja haaravad näited füüsikas ja looduses (laviin, kallakuklots): mõisted, mehhanismid ja praktilised selgitused.

Metastabiilsusel on eri teadusvaldkondades veidi erinev tähendus, kuid üldine mõte on sarnane: miski on metastabiilne, kui see püsib olekus, mis näib stabiilne, kuid väikese väline mõju või sisemine fluktuatsioon — väike "tõuge" — võib viia selle üle teise, stabiilsemasse olekusse. Metastabiilsus ei tähenda igavest püsivust, vaid seda, et teisenduse toimumiseks on vaja ületada mingisugune takistus või energiatõke.

Mida täpsemalt tähendas?

Metastabiilne olek asub energia maastikul lokaalses miinimumis: see on kohalikult madalaima energia seisund, kuid mitte absoluutne madalaima energia seisund. Sellel kohal on ümbruses eraldav "energiamüür" (aktivatsioonienergia), mis takistab süsteemi naasmast globaalsele miinimumile. Kui piisav häire selle müüri ületab, liigub süsteem lõplikult stabiilsemasse olekusse.

Olulised mõisted

• Stabiilne olek — süsteem jääb sellesse olekusse ka pärast väikseid häireid.
• Metastabiilne olek — paikneb lokaalses energiamiinimumis; püsib kaua, kuid ei ole absoluutne madalaima energia seisund.
• Ebastabiilne olek — iga väike häire viib süsteemi uude olekusse.
• Aktivatsioonienergia — energia, mida on vaja metastabiilsest olekust väljumiseks.
• Aeglus ja tõenäosus — ülemineku kiirus sõltub energiatõusust ja temperatuurist; sageli kirjeldatakse seda Arrheniuse seadusega (ülemineku tõenäosus ~ exp(−E/kT)).

Füüsika ja keemia — tüüpilised näited

• Klots nõlval: lihtne mehaaniline näide — klots istub nõlval ja jääb sinna seni, kuni väike tõuge paneb ta veerema. Nõlval istuv staadium on metastabiilne.
• Lumelaviin: lume kiht võib püsida pikka aega, kuni väike häire (näiteks kõnd või lumesaju mõju) vallandab laviini — enne vallandumist on lume olukord metastabiilne.
• Superjahutatud vedelikud: vesi võib jäähtuda alla 0 °C ja siiski jääda vedelaks, kuni väike kristallitumise keskus või häire vallandab kiire jäästumise.
• Ülinsaturatsioon ja kristallimine: lahus, mis sisaldab rohkem lahust kui õige tasakaalunäitaja lubaks, on metastabiilne; kristallitumise algus (nukleatsioon) viib stabiilse kristalse faasi tekkele.
• Diamond vs grafiit: süsiniku kovaalendkonstruktsioon "grafiit" on madalama energia seisundiga kui "teemant" toatemperatuuril, seega teemandil on teatav metastabiilsus — teisendumine grafiidiks on aga väga aeglane, sest nõuab märkimisväärset energiabarjääri.
• Kõvastus ja klaas: klaas on tegelikult metastabiilne, mitte täielik kristalliline aine; see on töödeldud ja "kinni püütud" nihke seisund.
• Tuumaisomeerid: tuumafüüsikas on eksitatuid tuumseisundeid, mis püsivad kaua enne energia vabanemist — need on tuumasisesed metastabiilsed seisundid.

Metastabiilsus eluslooduses ja tehnoloogias

• Bioloogilised süsteemid: valgud võivad olla folding'u (hüpoteetiliselt) metastabiilsed — vale kokkuvolditud vorm võib püsida ja põhjustada haigusi (näiteks prioonid). Rakulised protsessid võivad olla sõltuvad metastabiilsetest vahelülidest.
• Magnetilised materjalid ja magnetiseerumine: magnetilised domeenid võivad olla metastabiilsed ja muutuvad kiiresti välise magnetvälja toimel; see on oluline muuhulgas andmekandjate ja elektromagnetite tööpõhimõtetes.
• Elektroonika: digitaalsetes vooluringides võib tekkida metastabiilne seisund (näiteks flip-flopi metastabiilsus), kui sünkronisatsiooni tingimused on rikkumisel.
• Läbilõige atmosfääris ja ilmastikus: tormisüsteemid ja äärmuslikud ilmaprotsessid võivad olla metastabiilsed ja ootamatult vallanduda väikese mõjutuse tagajärjel.
• Lasritehnika: laseri töö eeldab sageli metastaatselt täidetud energiatihendit (metastable energy level), mis võimaldab populatsiooni invertsiooni ja seeläbi võimendust.

Mida mõjutab metastabiilsuse kestus?

Metastabiilsuse kestus võib olla väga erinev: mõnel juhul vaid millisekundid või tunnid, teisel pool püsib olek miljoneid või miljardeid aastaid (näiteks teemandite püsimine). Kestus sõltub peamiselt järgmistest teguritest:

• energiamüürist (mida kõrgem, seda raskem üleminek);
• temperatuurist ja soojusfluktuatsioonidest (suurem temperatuur suurendab tõenäosust energiabarjääri ületamiseks);
• süsteemi suurusest ja defektidest (nukleatsiooni tõenäosus võib suureneda defektide olemasolul);
• väline häire või stimulatsioon (mekaaniline löök, elektromagnetväli, keemiline lisand jm).

Kokkuvõte

Metastabiilsus tähendab olukorda, kus süsteem näib stabiilne, kuid tegelikult asub lokaalses energiamiinimumis ja võib väikese häire tõttu üleminekuks lõplikult stabiilsemasse olekusse. See kontseptsioon on universaalne — esineb mehaanikas, keemias, füüsikas, bioloogias ja tehnoloogias — ning selle mõistmine aitab ennustada ja juhtida nii looduslikke protsesse (näiteks laviine) kui ka inimtegevuse süsteeme (materjalid, seadmed, keemilised protsessid).

Küsimused ja vastused

K: Mis on metastabiilsus?

K: Kas te oskate tuua näite metastabiilsuse kohta?

K: Kuidas muutub miski ebastabiilseks?

K: Mis on näide millegi ebastabiilsuse kohta?

K: Mis on reaalne näide metastabiilsuse kohta?

K: Kuidas illustreerib lohk mäenõlval metastabiilsuse mõistet?

K: Milline on metastabiilsuse üldine idee?

Otsing