حالة شبه الاستقرار

تتراوح حالات المادة شبه المستقرة (وتُسمى أيضًا بالحالات شبه المستقرة ) من انصهار المواد الصلبة (أو تجمد السوائل)، وغليان السوائل (أو تكثيف الغازات)، وتسامي المواد الصلبة، إلى السوائل فائقة التبريد أو مخاليط الغازات والسوائل فائقة التسخين . يبقى الماء فائق التبريد شديد النقاء سائلاً عند درجة حرارة أقل من صفر  مئوية، ويظل كذلك حتى تُحفز الاهتزازات أو التكثيف مراكز التبلور . وهذا وضع شائع لقطرات السحب الجوية.

تُعدّ الأطوار شبه المستقرة شائعة في فيزياء المادة المكثفة وعلم البلورات. وينطبق هذا على الأناتاز ، وهو شكل متعدد الأشكال شبه مستقر لثاني أكسيد التيتانيوم ، والذي على الرغم من كونه عادةً أول طور يتشكل في العديد من عمليات التخليق نظرًا لانخفاض طاقة سطحه ، إلا أنه يبقى دائمًا شبه مستقر، بينما يُعدّ الروتيل الطور الأكثر استقرارًا عند جميع درجات الحرارة والضغوط. ^{[ 1 ]} كمثال آخر، يُعدّ الماس طورًا مستقرًا فقط عند الضغوط العالية جدًا، ولكنه شكل شبه مستقر للكربون عند درجة الحرارة والضغط القياسيين . ويمكن تحويله إلى جرافيت (بالإضافة إلى الطاقة الحركية المتبقية)، ولكن فقط بعد التغلب على طاقة التنشيط . أما المارتنسيت فهو طور شبه مستقر يُستخدم للتحكم في صلابة معظم أنواع الفولاذ. كما تُلاحظ الأشكال متعددة الأشكال شبه المستقرة للسيليكا بشكل شائع. وفي بعض الحالات، كما هو الحال في متآصلات البورون الصلب ، يصعب الحصول على عينة من الطور المستقر. ^{[ 2 ]}

الروابط بين الوحدات البنائية للبوليمرات مثل الحمض النووي DNA والحمض النووي RNA والبروتينات هي أيضًا روابط غير مستقرة. يُعد الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) جزيئًا غير مستقر للغاية، ويُوصف بشكل عام بأنه "مليء بالطاقة" ويمكن استخدامه بطرق عديدة في علم الأحياء. ^{[ 3 ]}

بشكل عام، تُعتبر المستحلبات / الأنظمة الغروية والزجاج مواد شبه مستقرة. فعلى سبيل المثال، تتميز شبه استقرارية زجاج السيليكا بعمر افتراضي يبلغ حوالي 10⁹⁸ ^سنة [ ^{4 ] (} مقارنةً بعمر الكون، الذي يُعتقد أنه حوالي1.3787 × 10 ^سنوات ). ^{[ 5 ]}

تُعدّ أكوام الرمل أحد الأنظمة التي قد تُظهر حالة عدم استقرار في حال وجود منحدر حاد أو نفق. تتشكل الأكوام بفعل الاحتكاك بين حبيبات الرمل . من الممكن أن تصل كومة رملية كبيرة إلى نقطة استقرار، لكن إضافة حبة رمل واحدة قد تتسبب في انهيار أجزاء كبيرة منها.

يُعدّ الانهيار الجليدي مشكلة معروفة تنجم عن تراكمات كبيرة من الثلج وبلورات الجليد على المنحدرات الشديدة. في الظروف الجافة، تتصرف المنحدرات الثلجية بشكل مشابه لأكوام الرمل. وقد ينزلق جانب جبلي كامل من الثلج فجأةً بسبب وجود متزلج، أو حتى بسبب ضوضاء عالية أو اهتزاز.

تتميز بعض الحالات النشطة لنواة الذرة (ذات التوزيعات المكانية المتميزة للكتلة والشحنة واللف المغزلي واللف المغزلي النظائري ) بعمر أطول بكثير من غيرها ( المتزامرات النووية لنفس النظير )، مثل التكنيتيوم-99m . ^{[ 8 ]} أما نظير التنتالوم-180m ، فرغم كونه حالة إثارة شبه مستقرة، إلا أنه طويل العمر لدرجة أنه لم يُرصد له أي تحلل، ويُقدر عمر النصف له بأقل من 10 ...2.9 × 10 ¹⁷ (290 كوادريليون) سنة، ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} أكثر من 21 مليون مرة من العمر الحالي للكون .

بعض مستويات الطاقة الذرية شبه مستقرة. تُعد ذرات ريدبيرغ مثالاً على حالات الإثارة الذرية شبه المستقرة. عادةً ما تكون الانتقالات من مستويات الإثارة شبه المستقرة محظورة بموجب قواعد اختيار ثنائي القطب الكهربائي . هذا يعني أن أي انتقالات من هذا المستوى نادرة الحدوث نسبيًا. بمعنى آخر، يُحاصر الإلكترون الذي يجد نفسه في حالة شبه مستقرة. ولأن الانتقالات من حالة شبه مستقرة ليست مستحيلة (بل هي أقل احتمالًا)، فإن الإلكترون سيتحلل في النهاية إلى حالة طاقة أقل، عادةً عن طريق انتقال رباعي الأقطاب الكهربائي، أو غالبًا عن طريق إزالة الإثارة غير الإشعاعية (مثل إزالة الإثارة التصادمية).

تتجلى خاصية التحلل البطيء هذه للحالة شبه المستقرة في ظاهرة الفسفرة ، وهي نوع من التألق الضوئي الذي يُرى في الألعاب المضيئة في الظلام والتي يمكن شحنها بتعريضها أولاً لضوء ساطع. في حين أن الانبعاث التلقائي في الذرات له نطاق زمني نموذجي في حدود 10⁻⁸ ^ثانية ، فإن تحلل الحالات شبه المستقرة قد يستغرق عادةً من أجزاء من الثانية إلى دقائق، ولذلك فإن الضوء المنبعث في ظاهرة الفسفرة يكون عادةً ضعيفًا وطويل الأمد.

في الأنظمة الكيميائية، يمكن لنظام من الذرات أو الجزيئات، يتضمن تغييرًا في الرابطة الكيميائية ، أن يكون في حالة شبه مستقرة، تدوم لفترة طويلة نسبيًا. تجعل الاهتزازات الجزيئية والحركة الحرارية الأنواع الكيميائية التي تُعادل طاقتها قمة تل دائري قصيرة العمر جدًا. توجد الحالات شبه المستقرة التي تدوم لثوانٍ عديدة (أو سنوات) في وديان طاقة ليست أدنى وادٍ ممكن (النقطة 1 في الرسم التوضيحي). يُعدّ التماكب أحد أنواع شبه الاستقرار الشائعة .

تعتمد استقرارية أو عدم استقرارية أي نظام كيميائي على بيئته، وخاصة درجة الحرارة والضغط . ويمكن أن يكون للاختلاف بين إنتاج كيان مستقر وآخر غير مستقر عواقب وخيمة. فعلى سبيل المثال، قد يؤدي وجود شكل بلوري خاطئ إلى فشل الدواء أثناء تخزينه بين التصنيع والإعطاء. ^{[ 12 ]} تُعرف خريطة الحالة الأكثر استقرارًا كدالة للضغط ودرجة الحرارة و/أو التركيب باسم مخطط الطور . وفي المناطق التي لا تكون فيها حالة معينة هي الأكثر استقرارًا، فقد تظل غير مستقرة. تتميز وسائط التفاعل بعمرها القصير نسبيًا، وعادةً ما تكون غير مستقرة ديناميكيًا حراريًا وليست غير مستقرة. ويوصي الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) بالإشارة إليها على أنها عابرة وليست غير مستقرة. ^{[ 13 ]}

يُستخدم مصطلح "شبه الاستقرار" أيضاً للإشارة إلى حالات محددة في قياس الطيف الكتلي ^{[ 14 ]} والكيمياء الطيفية. ^{[ 15 ]}