Метастабильное состояние.

Метастабильное состояние (от греческого «через» и латинского stabilis «устойчивый»), состояние неустойчивого равновесия физической системы, в котором система может находиться длительное время. Метастабильное фазовое состояние – это не вполне устойчивые состояния системы из большого числа частиц, способной к фазовому переходу первого рода.

Если фазовый переход первого рода приводит к появлению границы раздела фаз, в частности, к изменению агрегатного состояния однокомпонентной системы, то он сопровождается пересыщением, перегревом, переохлаждением, при которых система находится в метастабильном состоянии. Переход метастабильной фазы в устойчивую совершается путём флуктуационного возникновения в однородной среде небольших скоплений новой фазы – зародышей. Энергетически не выгодный эффект появления поверхности раздела приводит, однако к тому, что при недостаточно больших размерах зародыша он оказывается неустойчивым и снова исчезает. Устойчивыми являются лишь зародыши с размерами , начиная с определённого размера , который называется критическим. Такие зародыши представляют собой макроскопические образования, содержащие большое число молекул.

Однородная система в метастабильном состоянии удовлетворяет условиям устойчивости равновесия относительно малых (непрерывных) возмущений физических параметров (энтропии, плотности и др.). При достаточно больших возмущениях с возникновением в системе тем или иным путём конкурирующей фазы она (система) переходит в абсолютно устойчивое состояние. Термодинамически это обусловлено существованием при заданных условиях, по крайней мере, двух минимумов термодинамического потенциала, например, свободной энергии. Абсолютно устойчивое или стабильное состояние системы соответствует наименьшему из них. Другим минимумам отвечают метастабильные состояния. Такие состояния способны к более или менее длительному существованию, поскольку сами по себе они устойчивы, а переход в стабильную фазу при отсутствии затравки требует преодоления некоторого потенциального барьера. При этом предполагаем, что система является внутренне равновесной по всем другим признакам.

При изменении состояния вещества вдоль линии, пересекающей кривую равновесия фаз, наступает расслоение фаз в точке пересечения с этой кривой, после чего вещество переходит в другую фазу. Однако если изменение состояния вещества происходит достаточно медленно, то и после пересечения кривой расслоения фаз, но при не слишком большом удалении от неё, вещество может остаться однородным, то есть сохранить свойства исходной фазы. Такие состояния вещества не являются полностью устойчивыми. Они представляют метастабильные фазы вещества. С течением времени метастабильная фаза превратится в стабильную фазу.

Реальный фазовый переход всегда сопровождается отклонением системы от равновесия, он происходит с участием метастабильной фазы. Например, интенсивный теплообмен при кипении приводит к большим локальным перегревам жидкости.

Процесс превращения метастабильной фазы в стабильную фазу следует изучать. Как происходит превращение метастабильной фазы в стабильную фазу? То есть, другими словами, как происходит фазовый переход?

Прежде всего, необходимы экспериментальные исследования процесса релаксации основных термодинамических параметров системы из метастабильного состояния в стабильное.