Métastabilité

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États d'un système métastable : L'état 1 paraît stable, mais une perturbation suffisante pour dépasser l'état 2 conduira à l’état 3, plus stable que l'état 1 (qui de fait n'est que métastable)[a].
Bille en équilibre métastable au sommet d'un hémisphère.

La métastabilité est la propriété pour un état d'avoir l'apparence de la stabilité mais qu'une perturbation peut faire aller vers un état encore plus stable[1]. En l'absence de perturbation significative la vitesse de la transformation menant à l'état stable peut être très faible, voire quasi nulle. En réponse à une perturbation déclencheuse la transformation peut être très rapide, voire quasi instantanée[1].

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[modifier | modifier le code]

Chimie[modifier | modifier le code]

Diamant 
À température ambiante, le diamant est métastable car la transformation vers l'état stable graphite du carbone est extrêmement lente (non observable)[2]. À plus haute température, la vitesse de transformation de phase est augmentée et le diamant se transforme plus rapidement en graphite.
En revanche, l'obtention de diamant à partir de graphite n'est possible qu'à haute température (plusieurs milliers de degrés) et sous haute pression (plusieurs dizaines de milliers de bars). En général, les diamants naturels se forment à la limite du manteau terrestre lors d'un phénomène de subduction.
Martensite 
À température ambiante, la martensite est une phase métastable des aciers car elle a conservé une structure obtenue à haute température. On la stabilise par une trempe qui permet de conserver cette structure, caractérisée par une dureté élevée (acier trempé).

Biologie[modifier | modifier le code]

Les composés carbonés qui constituent les êtres vivants sont métastables. Une enzyme est un biocatalyseur capable d'abaisser l'énergie d'activation (Ea) de la réaction. La réaction est alors « activée » cinétiquement (loi d'Arrhenius). Une enzyme peut donc augmenter la 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 par le métabolisme des êtres vivants.

Physique[modifier | modifier le code]

L'eau en surfusion (ex. : brouillards givrants). Des gouttelettes d'eau pure en suspension dans un air lui aussi très pur, ne gèlent pas à °C, mais demeurent liquides jusqu'à −39 °C. Cet état dit de surfusion cesse brutalement lorsque 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 de solidification.

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.

Géodynamique[modifier | modifier le code]

En géodynamique des roches métamorphiques métastables sont créées lors de phénomènes très brusques (impacts de météores): l'impact fond les roches et les transforme en verres ou minéraux de haute pression. Cependant les conditions de pression et de température redeviennent brusquement faibles ; Les verres sont figés tels quels au lieu de retrouver une forme typique des conditions de température et pression de surface (du graphite peut être brusquement fondu et se figer en diamant, sans avoir le temps de se réarranger en graphite comme il le ferait naturellement avec une baisse lente de pression et température).

Théorie des catastrophes[modifier | modifier le code]

René Thom l'a utilisé pour désigner une «  catastrophe  » virtuelle, potentielle ou latente, sur le chemin critique de la différenciation 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 différenciation de l'entourage de l'ovule fécondé en placenta et embryon.

Psychologie[modifier | modifier le code]

  • André Green qualifie de métastable le cas-limite du trouble de la personnalité borderline, pour dépasser l'idée d'un simple passage à travers une frontière imaginaire entre névrose et psychose.
  • Le terme métastabilité rejoint le Aufhebung (« abrogation ») de Hegel, utilisé par Freud, qui rend bien compte de ce phénomène de disparition-apparition-conservation.
  • Le philosophe Gilbert Simondon a fait de la métastabilité l'un des concepts clés de son analyse de l'individuation.

Électronique numérique[modifier | modifier le code]

En numérique, les valeurs admises sont binaires : "0" et "1". Une métastabilité peut être considérée comme étant une valeur entre les deux, inconnue. Un système numérique peut gérer des erreurs (algorithme de récupération, bit de parité) mais pas une incertitude sur une valeur.

Causes[modifier | modifier le code]

Une entrée asynchrone (circuit combinatoire externe, bouton poussoir), peut causer des métastabilité sur un système synchrone. Afin d'éviter cela, on synchronise cette entrée à l'aide d'un synchroniseur (deux ou plusieurs bascules mises en séries).

Temps de résolution et MTBF[modifier | modifier le code]

On dit qu'une métastabilité se résout lorsqu'elle se fixe à une valeur ("0" ou "1"). Ce temps, exprimé en nanosecondes, apparaît plus ou moins souvent, selon sa durée. Exemple :

  • Une métastabilité avec un de 2,5 ns arrive tous les 5,94 millisecondes
  • Une métastabilité avec un de 20 ns arrive tous les années

Le temps d’occurrence entre les métastabilités est appelé MTBF (Mean Time Between Failure).

Synchroniseur[modifier | modifier le code]

On cherche à avoir c'est à dire un temps de résolution () inférieur à la période d'horloge ().

En pratique une période d’horloge peut être trop courte, on place alors plusieurs bascules en séries, afin de d’obliger la métastabilité à durer autant de temps que de cycles d'horloge. Ce temps est tellement long, qu’en terme de probabilité cela n’arrive jamais (voir MTBF ci-dessus).

En général, deux bascules en séries suffisent pour assurer une résolution des métastabilités, mais rien n'empêche d'en ajouter plus en série, afin d'augmenter les chances d'avoir une résolution de la métastabilité ou si la vitesse d'horloge est très élevée.

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Il faut plus d'énergie pour passer de 3 à 2 que de 1 à 2.

Références[modifier | modifier le code]

  1. a et b Définitions lexicographiques et étymologiques de « métastabilite » (sens IV-A.) du Trésor de la langue française informatisé, sur le site du Centre national de ressources textuelles et lexicales
  2. Le diamant est instable, sur culture-generale.fr, consulté le 30 octobre 2016.

Articles connexes[modifier | modifier le code]