Métastable

Définition

Un état métastable est une sorte de stabilité de longue durée de vie, mais pas indéfinie. Un état d'équilibre métastable est stable à condition qu'il ne soit soumis qu'à de petites perturbations.

Une substance ou une particule métastable est théoriquement instable mais elle a une durée de vie suffisamment longue pour être stable à des fins pratiques.

État métastable :

Illustration schématique de l'évolution du système d'un état d'équilibre métastable (état A), à travers un état d'équilibre instable et enfin à un état d'équilibre stable (état B).

Explications

Métastable décrit la durée prolongée de certains équilibres acquis par des systèmes complexes au moment de quitter leur état le plus stable après une action extérieure. C'est la métastabilité. L'état métastable est normalement dû à des transformations d'état lentes.

Les paramètres de ces systèmes "excités" pourraient éventuellement atteindre et maintenir des valeurs fixes (c'est l'état métastable), mais ensuite, après une longue période, spontanément ou sous une légère action extérieure (changement de pression par exemple) des paramètres, l'état commencera à changer de nouveau.

Si nous représentons un système physico-chimique par son énergie potentielle, un état métastable sera caractérisé par un état qui correspond à un minimum local d'énergie. Pour que le système atteigne l'état d'énergie minimale qui correspond à l'état d'équilibre thermodynamique, il est nécessaire de lui fournir une quantité d'énergie appelée énergie d'activation.

Par exemple, à température ambiante, les diamants sont métastables car la transformation en sa forme stable, le graphite, est extrêmement lente. À des températures plus élevées, le taux de transformation augmente et le diamant devient graphite. L'ikaïte est un élément de calcite métastable.

La martensite est une phase métastable qui est utilisée pour contrôler la dureté de la plupart des aciers par les transformations martensitiques.

Les liens entre les éléments constructifs des polymères tels que l'ADN, l'ARN et les protéines sont également métastables.

Les composants en carbone qui composent les êtres vivants sont métastables. Une enzyme est un biocatalyseur capable d'établir des liens faibles avec son substrat au niveau de son site actif. L'énergie de liaison libérée est à l'origine de la diminution de l'énergie d'activation de la réaction.

De cette façon, la réaction est activée cinétiquement (loi d'Arrhenius). Une enzyme peut accélérer la constante de vitesse de la réaction qu'elle catalyse : ainsi, des réactions chimiques très lentes sans catalyseur sont accélérées jusqu'à ce qu'elles soient utilisables par métabolisme.

⭐ En physique, un état métastable est un état qui est un minimum local d'énergie, qui n'est pas totalement stable sous des perturbations du système au-dessus d'une certaine ampleur.

Les gouttes d'eau pure en suspension dans de l'air très pur ne gèlent pas à 0 °C, mais restent à l'état liquide jusqu'à atteindre - 39 °C, ce qu'on appelle la surfusion. Cet état de surfusion cesse brusquement lorsque la goutte entre en contact avec un corps externe (comme un cristal de glace).

Pour un isotope radioactif, l'état d'instabilité est caractérisé par la période de décroissance radioactive, plus ou moins longue (allant de quelques minutes à plusieurs siècles voire des millions d'années).

⭐ En physique atomique, un niveau métastable est un niveau dans lequel un électron excité reste faiblement stable beaucoup plus longtemps avant de se désintégrer à un niveau d'énergie inférieur.

La permanence de l'électron à ce niveau est déterminée par le coefficient d'Einstein (β₂) pour ce niveau. Le plus haut est β₂, plus la permanence de l'électron dans cet état sera grande.

Tous les états énergétiques d'un électron dans une molécule ou un atome, au-dessus de l'état fondamental, sont métastables. Ce sont tous des états d'équilibre, comme en témoigne le fait qu'ils sont des états stationnaires de l'hamiltonien du modèle atomique de Schrödinger.

Cependant, lorsqu'un électron est dans un état excité (sans énergie minimale) et qu'il y a un état inférieur inoccupé, les perturbations du champ électromagnétique associé à l'électron lui-même le font se désintégrer à un état d'énergie inférieur émettant un photon.

En rapport avec "métastable"

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  Une matière compostable est biodégradable par nature, mais l'industrie des plastiques opère avec sa propre définition de compostable.

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  L'eau potable est une eau douce propre à la consommation humaine qui peut être utilisée sans restriction en boisson ou pour faire la cuisine.