Metastabilitas

Artikel ini membutuhkan lebih banyak rujukan. Mohon bantu kami mengembangkan artikel ini dengan cara menambahkan rujukan ke sumber tepercaya. Pernyataan tak bersumber bisa saja dipertentangkan dan dihapus. Cari sumber: "Metastabilitas" – berita · surat kabar · buku · cendekiawan · JSTOR (September 2026)

Dalam kimia dan fisika, metastabilitas adalah keadaan energi perantara dalam suatu sistem dinamis, selain keadaan sistem dengan energi paling rendah. Sebuah bola yang berada di dalam cekungan pada suatu lereng merupakan contoh sederhana dari metastabilitas. Jika bola hanya didorong sedikit, bola akan kembali berhenti di dalam cekungannya, tetapi dorongan yang lebih kuat dapat menyebabkan bola mulai menggelinding menuruni lereng. Pin boling menunjukkan metastabilitas yang serupa, yaitu dapat hanya bergoyang sesaat atau jatuh sepenuhnya. Contoh metastabilitas yang umum dalam ilmu pengetahuan adalah isomerisasi. Isomer dengan energi yang lebih tinggi dapat bertahan dalam waktu lama karena terhalang untuk mengalami penataan ulang menuju keadaan dasar yang lebih disukai oleh adanya perintang dalam energi potensial yang mungkin cukup besar.

Selama suatu keadaan metastabil dengan umur hingga tertentu, semua parameter yang mendeskripsikan keadaan tersebut mencapai dan mempertahankan nilai yang stasioner. Dalam keadaan terisolasi:

• keadaan dengan energi paling rendah merupakan satu-satunya keadaan yang akan ditempati sistem untuk jangka waktu tak terbatas, sampai energi eksternal ditambahkan ke dalam sistem (keadaan unik yang "benar-benar stabil");
• sistem akan secara spontan meninggalkan keadaan lain yang memiliki energi lebih tinggi dan pada akhirnya kembali (setelah melalui serangkaian transisi) ke keadaan dengan energi paling rendah.

Konsep metastabilitas bermula dari kajian transisi fase orde pertama dalam fisika. Konsep ini kemudian memperoleh makna baru dalam studi agregasi partikel subatom, baik dalam inti atom maupun atom, serta dalam molekul, makromolekul, atau gugusan atom dan molekul. Selanjutnya, konsep ini digunakan pula dalam kajian sistem pengambilan keputusan dan sistem transmisi informasi.

Metastabilitas banyak ditemukan dalam fisika dan kimia, mulai dari atom sebagai kumpulan banyak partikel hingga kumpulan statistik molekul (seperti fluida kental, padatan amorf, kristal cair, mineral, dan sebagainya), baik pada tingkat molekuler maupun sebagai keseluruhan sistem (lihat Keadaan metastabil materi dan tumpukan butiran di bawah). Keberadaan berbagai keadaan menjadi semakin umum ketika sistem semakin besar dan/atau ketika gaya interaksi timbal baliknya secara spasial semakin tidak seragam atau semakin beragam.

Dalam sistem dinamis (dengan umpan balik) seperti rangkaian elektronik, lalu lintas sinyal, sistem pengambilan keputusan, sistem saraf, dan sistem imun, ketidakbergantungan pola aktif atau reaktif terhadap waktu terhadap pengaruh eksternal menentukan stabilitas dan metastabilitas (lihat metastabilitas otak di bawah). Dalam sistem-sistem tersebut, padanan dari fluktuasi termal pada sistem molekuler adalah "derau putih", yang memengaruhi propagasi sinyal dan proses pengambilan keputusan.

Termodinamika dan fisika statistik

Termodinamika nonkesetimbangan adalah cabang fisika yang mempelajari dinamika kumpulan statistik molekul melalui keadaan-keadaan yang tidak stabil. Kondisi "terjebak" dalam suatu lembah termodinamika tanpa berada pada keadaan dengan energi terendah dikenal sebagai stabilitas kinetik atau persistensi kinetik. Gerakan atau kinetika tertentu dari atom-atom yang terlibat menyebabkan sistem tetap terjebak dalam keadaan tersebut, meskipun terdapat keadaan alternatif yang lebih disukai (berenergi lebih rendah).

Wujud materi

Wujud materi yang metastabil mencakup padatan yang sedang mencair (atau cairan yang sedang membeku), cairan yang sedang mendidih (atau gas yang sedang mengembun), serta padatan yang sedang menyublim, hingga cairan yang dilewatbekukan atau campuran cairan-gas yang dilewatpanaskan. Air yang sangat murni dan mengalami pelewatbekuan dapat tetap berada dalam keadaan cair di bawah 0 °C dan akan tetap demikian sampai getaran yang diberikan atau penambahan inti kondensasi memicu terbentuknya pusat-pusat kristalisasi. Kondisi ini umum terjadi pada tetesan air di awan atmosfer.

Materi terkondensasi dan makromolekul

Fase metastabil umum ditemukan dalam materi terkondensasi dan kristalografi. Salah satu contohnya adalah anatase, yaitu polimorf metastabil dari titanium dioksida. Meskipun anatase sering kali menjadi fase pertama yang terbentuk dalam banyak proses sintesis karena memiliki energi permukaan yang lebih rendah, fase ini selalu bersifat metastabil. Sementara itu, rutil merupakan fase yang paling stabil pada semua suhu dan tekanan.^[1] Sebagai contoh lainnya, intan merupakan fase yang stabil hanya pada tekanan yang sangat tinggi, tetapi pada suhu dan tekanan standar, intan merupakan bentuk karbon yang metastabil. Intan dapat berubah menjadi grafit (disertai pelepasan energi kinetik yang tersisa), tetapi perubahan tersebut hanya dapat terjadi setelah melewati energi aktivasi—ibaratnya harus melewati sebuah "bukit" energi. Martensit merupakan fase metastabil yang digunakan untuk mengendalikan kekerasan sebagian besar baja. Polimorf metastabil dari silika juga sering ditemukan. Dalam beberapa kasus, seperti pada alotrop padatan boron, memperoleh sampel dalam fase yang benar-benar stabil merupakan hal yang sulit.^[2]

Ikatan antara penyusun polimer seperti DNA, RNA, dan protein juga bersifat metastabil.^{[butuh rujukan]} Adenosina trifosfat (ATP) merupakan molekul yang sangat metastabil, yang secara sederhana sering digambarkan sebagai molekul yang "penuh energi" dan energinya dapat digunakan dalam berbagai proses biologis.^[3]

Secara umum, sistem koloid/emulsi dan kaca bersifat metastabil. Sebagai contoh, metastabilitas kaca silika dicirikan oleh waktu hidupnya sekitar 10⁹⁸ tahun,^[4] dibandingkan dengan usia alam semesta yang diperkirakan sekitar 1,3787×10¹⁰ tahun.^[5]

Tumpukan pasir merupakan salah satu sistem yang dapat menunjukkan metastabilitas apabila terdapat lereng yang curam atau terowongan. Butiran pasir membentuk tumpukan akibat gaya gesekan. Sebuah tumpukan pasir besar secara keseluruhan dapat mencapai keadaan yang stabil, tetapi penambahan satu butir pasir saja dapat menyebabkan sebagian besar tumpukan tersebut runtuh.

Longsoran salju merupakan fenomena yang terkenal pada tumpukan besar salju dan kristal es di lereng yang curam. Dalam kondisi kering, lereng bersalju dapat berperilaku serupa dengan tumpukan pasir. Seluruh sisi gunung yang tertutup salju dapat tiba-tiba meluncur hanya karena keberadaan seorang pemain ski, atau bahkan akibat suara keras maupun getaran.

Mekanika kuantum

Sistem yang terdiri dari kumpulan partikel subatomik dan dijelaskan oleh mekanika kuantum (seperti kuark di dalam nukleon, nukleon di dalam inti atom, elektron di dalam atom, molekul, atau gugus atom) memiliki banyak keadaan yang berbeda dan dapat dibedakan. Dari berbagai keadaan tersebut, terdapat satu keadaan (atau sejumlah kecil keadaan yang terdegenerasi) yang stabil tanpa batas waktu. Keadaan ini disebut keadaan dasar atau minimum global.

Semua keadaan selain keadaan dasar (termasuk keadaan yang terdegenerasi) memiliki energi yang lebih tinggi.^[6] Di antara keadaan-keadaan tersebut, keadaan metastabil adalah keadaan yang memiliki masa hidup setidaknya 10² hingga 10³ kali lebih lama dibandingkan keadaan dengan masa hidup paling singkat dalam sistem tersebut.^[7]

Keadaan metastabil adalah keadaan yang berumur panjang dan stabil secara lokal terhadap konfigurasi energi di sekitarnya, tetapi tidak bersifat kekal seperti keadaan dasar. Karena merupakan keadaan tereksitasi, yaitu memiliki energi lebih tinggi daripada keadaan dasar, keadaan tersebut pada akhirnya akan meluruh menuju keadaan yang lebih stabil sambil melepaskan energi. Di atas suhu nol mutlak, semua keadaan dalam suatu sistem memiliki probabilitas untuk meluruh. Artinya, suatu keadaan dapat secara spontan berubah menjadi keadaan lain, biasanya keadaan dengan energi yang lebih rendah. Salah satu mekanisme yang memungkinkan terjadinya perubahan tersebut adalah penerowongan kuantum.

Fisika nuklir

Beberapa keadaan berenergi pada inti atom (yang memiliki distribusi massa, muatan, spin, dan isospin yang berbeda) dapat memiliki masa hidup yang jauh lebih lama dibandingkan keadaan lainnya. Keadaan seperti ini disebut isomer nuklir dari isotop yang sama. Salah satu contohnya adalah ^99mTc.^[8] Isotop ^180mTa, meskipun merupakan keadaan tereksitasi yang metastabil, memiliki masa hidup yang sangat panjang sehingga peluruhannya belum pernah diamati. Waktu paruhnya diperkirakan setidaknya 2,9×10¹⁷ (290 kuadriliun) tahun,^[9][10][11] yaitu lebih dari 21 juta kali usia alam semesta saat ini.

Fisika atom dan molekul

Beberapa tingkat energi atom bersifat metastabil. Atom Rydberg merupakan salah satu contoh keadaan atom tereksitasi yang metastabil. Transisi dari tingkat tereksitasi metastabil biasanya merupakan transisi yang dilarang berdasarkan aturan seleksi dipol listrik. Artinya, kemungkinan terjadinya transisi dari tingkat ini relatif kecil. Dengan kata lain, elektron yang kebetulan berada dalam konfigurasi metastabil seolah-olah terperangkap di dalam keadaan tersebut. Karena transisi dari keadaan metastabil bukanlah sesuatu yang mustahil (melainkan hanya memiliki kemungkinan yang lebih kecil), elektron pada akhirnya akan meluruh menuju keadaan dengan energi yang lebih rendah. Peluruhan ini biasanya terjadi melalui transisi kuadrupol listrik atau, sering kali, melalui deeksitasi nonradiasi, misalnya deeksitasi akibat tumbukan.

Sifat peluruhan yang lambat dari keadaan metastabil dapat terlihat pada fenomena fosforesensi, yaitu jenis fotoluminesensi yang dapat diamati pada mainan yang dapat menyala dalam gelap setelah sebelumnya terkena cahaya terang. Bila emisi spontan pada atom biasanya berlangsung dalam skala waktu sekitar 10⁻⁸ detik, peluruhan keadaan metastabil biasanya dapat berlangsung dari beberapa milidetik hingga beberapa menit. Oleh karena itu, cahaya yang dihasilkan melalui fosforesensi biasanya memiliki intensitas yang relatif lemah, tetapi dapat bertahan dalam waktu yang cukup lama.

Kimia

Dalam sistem kimia, suatu sistem yang terdiri dari atom atau molekul dan melibatkan perubahan ikatan kimia dapat berada dalam keadaan metastabil yang bertahan selama waktu yang relatif lama. Getaran molekul dan gerakan termal menyebabkan spesies kimia yang berada pada kondisi energi seperti di puncak sebuah bukit yang bundar memiliki masa hidup yang sangat singkat. Keadaan metastabil yang dapat bertahan selama beberapa detik (atau bahkan bertahun-tahun) ditemukan di lembah-lembah energi yang bukan merupakan lembah dengan energi terendah yang mungkin dicapai (titik 1 pada ilustrasi). Salah satu bentuk metastabilitas yang umum adalah isomerisme.

Stabilitas atau metastabilitas suatu sistem kimia bergantung pada lingkungannya, khususnya suhu dan tekanan. Perbedaan antara menghasilkan suatu zat yang stabil dan zat yang metastabil dapat menimbulkan konsekuensi penting. Misalnya, penggunaan bentuk polimorf kristal yang salah dapat menyebabkan suatu obat mengalami kegagalan selama penyimpanan, yaitu pada periode antara proses produksi dan pemberian kepada pasien.^[12] Peta yang menunjukkan keadaan mana yang paling stabil sebagai fungsi dari tekanan, suhu, dan/atau komposisi dikenal sebagai diagram fase. Di wilayah tertentu, suatu keadaan mungkin bukan merupakan keadaan yang paling stabil, tetapi masih dapat berada dalam kondisi metastabil. Reaksi antara memiliki masa hidup yang relatif singkat dan biasanya bersifat tidak stabil secara termodinamika, bukan metastabil. IUPAC merekomendasikan agar keadaan seperti ini disebut sebagai transien (keadaan sementara) daripada metastabil.^[13]

Istilah metastabilitas juga digunakan untuk merujuk pada situasi-situasi tertentu dalam spektrometri massa^[14] dan spektrokimia.^[15]

Sirkuit elektronik

Sebuah sirkuit digital seharusnya berada dalam sejumlah kecil keadaan digital yang stabil dalam jangka waktu tertentu setelah terjadi perubahan pada input. Namun, jika input berubah pada waktu yang tidak tepat, sirkuit digital yang menggunakan umpan balik (bahkan sirkuit sederhana seperti kalak-kalik) dapat memasuki keadaan metastabil dan membutuhkan waktu yang tidak terbatas untuk akhirnya mencapai keadaan digital yang sepenuhnya stabil.

Ilmu saraf komputasi

Metastabilitas di dalam otak merupakan fenomena yang dipelajari dalam ilmu saraf komputasi untuk memahami bagaimana otak manusia mengenali pola. Dalam konteks ini, istilah metastabilitas digunakan dalam pengertian yang cukup longgar. Tidak ada keadaan dengan energi yang lebih rendah sebagai tujuan akhirnya, tetapi terdapat sinyal-sinyal semi-transien di dalam otak yang bertahan selama beberapa waktu dan berbeda dari keadaan kesetimbangan yang biasanya.

Filsafat

Gilbert Simondon menggunakan konsep metastabilitas untuk memahami sistem yang, alih-alih menyelesaikan ketegangan dan potensi transformasinya menjadi satu keadaan akhir, justru "mempertahankan ketegangan dalam kesetimbangan metastabilitas, bukannya meniadakannya dalam kesetimbangan stabilitas". Gagasan ini digunakan sebagai kritik terhadap konsep homeostasis dalam teori sibernetika.^[16]

Lihat pula

• Histeresis
• Vakum palsu

Referensi