Métastabilité

Système métastable dans l'état 1 : si une énergie (énergie d'activation) perturbe le système, il franchit le seuil 2 et passe à l'état 3 (stable).

Bille en équilibre métastable au sommet d'un hémisphère

La métastabilité est la propriété pour un état d'être stable cinétiquement mais pas thermodynamiquement. La vitesse de la transformation menant à l'état stable est relativement lente, voire nulle. Si on considère un système physico-chimique représenté par son énergie potentielle, un état métastable sera caractérisé par un état qui correspond à un minimum local d'énergie. Pour que le système puisse atteindre l'état du minimum absolu de l'énergie correspondant à l'état d'équilibre thermodynamique, il faut lui fournir une quantité d'énergie appelée Énergie d'activation.

Exemples en chimie

À la température ambiante, le diamant est métastable car la transformation vers l'état stable carbone graphite est extrêmement lente (non observable). À plus hautes températures, la vitesse de transformation de phase serait augmentée et le diamant se transformerait plus rapidement en graphite car la cinétique chimique de transformation augmente avec la température. En revanche, l'obtention de diamant à partir de carbone graphite n'est possible qu'à haute température (plusieurs milliers de degrés) et sous haute pression (plusieurs dizaines de milliers de bar). En général les diamants naturels se forment à la limite du manteau terrestre lors d'un phénomène de subduction.

Autre exemple, la martensite est, à température ambiante, une phase métastable des aciers car elle possède une structure de haute température. On la stabilise par une trempe qui permet de conserver cette structure, caractérisée par une dureté élevée (acier trempé).

Exemple en biologie

Les composés carbonés qui constituent les êtres vivants sont métastables. Une enzyme est un biocatalyseur capable d'établir des liaisons faibles avec son substrat au niveau de son site actif. L'énergie de liaison libérée est à l'origine de l'abaissement de l'énergie d'activation (Ea) de la réaction. La réaction est alors "activée" cinétiquement (loi d'Arrhénius). Une enzyme peut accélérer la constante de vitesse de la réaction qu'elle catalyse : ainsi des réactions chimiques qui sont très lentes, voire infiniment lentes (état métastable) sans catalyseur sont accélérées jusqu'à devenir utilisables pour le métabolisme.

Exemples en physique

L'eau en surfusion (exemple : brouillards givrants). Des gouttelettes d'eau pure en suspension dans un air lui aussi très pur, ne gèlent pas à 0 °C. Elles demeurent liquides jusqu'à -39 °C. Cet état dit de surfusion cesse brutalement dès que la goutte entre en contact avec un corps étranger (y compris un cristal de glace, le sol ou tout autre objet) ou quand la température baisse en dessous de -39 °C. L'énergie des chocs est suffisante pour déclencher le phénomène.

Une poutre solide résiste bien aux contraintes de compression longitudinales. Or ces contraintes sont bien plus importantes que celles nécessaires à la plier si elle est écartée de la ligne droite. C'est le phénomène du flambage, qui est susceptible de provoquer des catastrophes mécaniques. Il est de toute importance pour l'ingénieur concevant des pièces allongées (bielles, piliers) de savoir estimer la charge seuil où sa pièce risquera de flamber.

Autres exemples

René Thom l'a utilisé pour désigner une « catastrophe » virtuelle, potentielle ou latente, sur le chemin critique de la différentiation ou « catastrophe » de la morphogénèse ou apparition d'une forme nouvelle accompagnée de la disparition de l'ancienne forme. Il est nommé « chréode » en embryologie par Waddington pour désigner la différentiation de l'entourage de l'ovule fécondé en placenta et embryon.

André Green, pour désigner le cas-limite du trouble de la personnalité borderline, qu'il qualifie de métastable, pour dépasser l'idée d'un simple passage à travers une frontière imaginaire entre névrose et psychose. Il rejoint le terme « Aufhebung » de Hegel, utilisé par Freud, qui rend bien compte de ce phénomène de disparition-apparition-conservation.

Le philosophe Gilbert Simondon en a fait un des concepts clés de son analyse de l'individuation.

Articles connexes

• Stabilité
• Instabilité

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