亞穩定性

亞穩定性是介於穩定與非穩定的一種狀態，即不同穩定狀態之間會出現遷移的現象，這就是我們所說的亞穩定性。

基本介紹

• 中文名：亞穩定性
• 外文名：metastability
• 定義：介於穩定與非穩定的一種狀態
• 相關概念：亞穩態

亞穩態現象

亞穩態指的是按相平衡條件，應發生相變而未發生的狀態。常見的亞穩態現象有如下幾種：

過飽和蒸氣

按相平衡條件，在某一溫度，當氣體的分壓大於其在該溫度下的飽和蒸氣壓時，該氣體將白髮凝聚成液體或固體。但新生成的凝聚相顆粒極其微小。根據開爾文公式，微小顆粒的蒸氣壓遠遠大於該物質的正常蒸氣壓。因此，雖然該氣體的分壓已經大於其正常蒸氣壓，但對於將要形成的微小新相顆粒來說仍未飽和，當氣體十分純淨時，往往其分壓大於其飽和蒸氣壓仍不能凝聚。這種按相平衡條件應凝聚而未凝聚的氣體稱為過飽和蒸氣（supersaturated vapor）。蒸氣中的灰塵、容器的粗糙內表面都可以成為蒸氣的凝聚中心，使新生成的凝聚相從一開始就具有較大的曲率半徑，這樣在蒸氣的過飽和程度較小的情況下，蒸氣就可開始凝聚。人工降雨就是根據這個原理向雲層中撒入固體顆粒。使已經飽和的水蒸氣凝聚成雨的。

過冷液體

在一定壓力下，當液體的溫度已低於該壓力下液體的凝固點，而液體仍不凝固的現象，叫過冷現象，此時的液體稱為過冷液體（supercooling liquid）。根據開爾文公式，晶體微粒越小，蒸氣壓越高，在正常凝固點晶體微粒不能產生。只有當液體過冷至某一溫度後，此時晶體微粒的平衡蒸氣壓等於液體的平衡蒸氣壓，才可能有新相形成。避免過冷現象的關鍵在於促使新相晶核順利產生。為此，可在液體冷卻到凝固點附近時加入少量晶體作為新相種子，液體達到凝固點時會自動在這些晶體微粒表面析出沉積；同時，要加強攪拌。

過熱液體

沸騰是液體從內部形成氣泡、在液體表面上劇烈氣化的現象。但如果在液體中沒有提供氣泡的物質存在時，液體在沸點時將無法沸騰。這種溫度高於沸點但仍不沸騰的液體，稱為過熱液體（superheated liquid）。

液體沸騰時首先在液體底部形成氣泡，根據開爾文公式，小氣泡形成時氣泡內飽和蒸氣壓遠小於外壓，而微小氣泡若穩定存在，必須克服三種壓力：大氣壓力P大、液體靜壓力P靜及氣泡凹液面產生的附加壓力P曲，僅當氣泡內蒸汽壓P內滿足P內（P大+P靜>P曲）時，氣泡才能成長上升。新生成的微小氣泡不能滿足這一條件，因而不能穩定存在。這樣便造成了液體在沸點時不沸騰，溫度繼續升高的過熱現象。過熱較多時，會發生暴沸。

過飽和溶液

在一定條件下，晶體的顆粒愈小其溶解度愈大。所以將溶液進行恆溫蒸發時，溶質的濃度逐漸增大，達到普通溶質晶體的飽和濃度時，對微小晶體溶質卻仍未達到飽和狀態，作為晶體成長核心的晶核難以析出。為了使晶核能自動生成，需要將溶液進一步蒸發，達到一定的過飽和程度，晶體才可能不斷析出。這種按相平衡條件，應當有晶體析出而未析出的溶液，稱為過飽和溶液。

在結晶過程中，若溶液的過飽和度太大，將生成很細小的顆粒，不利於過濾或洗滌，會影響產品的質量。在生產中常採用向結晶器中投入小晶體作為新相種子的方法，防止溶液過飽和程度過高，可獲得較大顆粒的晶體。

上述亞穩態的共同特徵是，它們都偏離平衡而處於較高的能量狀態。從熱力學觀點看，它們是不穩定的，但是卻能相對持久存在。出現亞穩態的原因是由於新相的種子難以產生。上面提出的各種防止方法都是為了創造條件，以有利於新相種子的形成，促使各種系統由亞穩態過渡到平衡狀態。在科研和生產中，有時需要破壞亞穩態，如上述的結晶過程。但有時則需要保持亞穩態長期存在，如金屬的淬火。

細胞神經網路中的亞穩定性

隨著對穩定性研究的深入，我們發現當一個細胞神經網路系統中出現多個平衡點時可以觀察到在外界噪音的影響下，多個穩定平衡點之間軌道會出現遷移的現象而大量科學研究也表明，在物理學；化學和生物學的相關數學系統中因為噪音的影響系統不同穩定狀態之間出現了迀移而隨機振盪這就是所謂的”亞穩定性”。

相關研究

大量科學研究表明，在物理學，化學和生物學的相關數學系統中，正是因為噪音的影響，不同穩定狀態之間才出現了遷移這就是所謂的”亞穩定性”在一個梯度系統，我們可以通過系統的能量來反映這種遷移但是，當系統的能量不是一個常數時，著名的大偏差理論通過給出作用量泛函進而找到一種研究不同穩定吸引子之間遷移路徑的方法最小化作用量泛函就可以得到從一個穩定狀態轉移到另一穩定狀態所需的平均時間以及最可能的遷移路徑因此，這就給出了一個比較不同平衡點穩定性的標準即，如果從一個穩定平衡點到另一個穩定平衡點的作用量泛函的最小值大於從到的最小值，那么我們可以判定更穩定。