Metaestabilidad

Los estados metaestables de la materia (también llamados metaestados ) abarcan desde sólidos que se funden (o líquidos que se congelan), líquidos que hierven (o gases que se condensan) y sólidos que se subliman, hasta líquidos superenfriados o mezclas líquido-gas sobrecalentadas . El agua superenfriada, extremadamente pura, permanece líquida por debajo de 0  °C y se mantiene así hasta que las vibraciones aplicadas o la adición de semillas de condensación inician la cristalización . Esta es una situación común en las gotitas de las nubes atmosféricas.

Las fases metaestables son comunes en la materia condensada y la 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 . Puede convertirse en grafito (más energía cinética residual), pero solo después de superar una energía de activación , una barrera intermedia. La martensita es una fase metaestable que se utiliza para controlar la dureza de la mayoría de los aceros. Los polimorfos metaestables de sílice se observan comúnmente. En algunos casos, como en los alótropos del boro sólido , obtener 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 (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 vidas medias del orden de 10⁹⁸ ^años [ ^{4 ] (} en comparación con la vida media del universo, que se cree que es de alrededor de 10⁹⁸ años).1,3787 × 10 ¹⁰ años). ^{[ 5 ]}

Los montones de arena son un sistema que puede presentar metaestabilidad si hay una pendiente pronunciada o un túnel. Los granos de arena forman un montón debido a la fricción . Es posible que un gran montón de arena alcance un punto de estabilidad, pero la adición de un solo grano provoca el colapso de gran parte del mismo.

Las avalanchas son un problema bien conocido en grandes acumulaciones de nieve y cristales de hielo en pendientes pronunciadas. En condiciones secas, las laderas nevadas se comportan de forma similar a los montículos de arena. Toda una ladera nevada puede deslizarse repentinamente debido a la presencia de un esquiador, o incluso a un ruido o vibración fuertes.

Algunos estados energéticos de un núcleo atómico (que tienen distintas distribuciones espaciales de masa, carga, espín e isospín ) son mucho más longevos que otros ( isómeros nucleares del mismo isótopo ), por ejemplo, el tecnecio-99m . ^{[ 8 ]} El isótopo tantalio-180m , aunque es un estado excitado metaestable, es lo suficientemente longevo como para que nunca se haya observado su desintegración, con una vida media calculada como mínima.2,9 × 10 ¹⁷ (290 cuatrillones) de años, ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} más de 21 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 del dipolo eléctrico . Esto significa que cualquier transición desde este nivel es relativamente improbable. 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 acabará decayendo a un estado menos energético, normalmente mediante una transición de cuadrupolo eléctrico, o a menudo mediante desexcitación no radiativa (por ejemplo, desexcitación por colisión).

Esta propiedad de decaimiento lento de un estado metaestable se manifiesta 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 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 suele durar desde milisegundos hasta minutos, por lo que la luz emitida en la fosforescencia suele ser débil y de larga duración.

En los sistemas químicos, un sistema de átomos o moléculas que experimenta un cambio en un enlace químico puede encontrarse en un estado metaestable, el cual 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 dado 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 resultar en el fallo de un fármaco durante su almacenamiento entre la fabricación y la administración. ^{[ 12 ]} El mapa que muestra qué estado es el más estable en función de la presión, la temperatura y/o la 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 son relativamente efímeros y generalmente son termodinámicamente inestables en lugar de metaestables. La IUPAC recomienda referirse a ellos como transitorios en lugar de metaestables. ^{[ 13 ]}

La metaestabilidad también se utiliza para referirse a situaciones específicas en espectrometría de masas ^{[ 14 ]} y espectroquímica. ^{[ 15 ]}