新加坡的科學家們聲稱已經(jīng)解開了這一謎題

自亞里士多德時代起，熱水為什么比冷水結冰更快這個現(xiàn)象一直讓世界上最聰明的科學家們困惑不已。目前一組物理學家小組聲稱已經(jīng)解開了這一世紀難題。這個現(xiàn)象名為姆潘巴現(xiàn)象，它是指水與大多數(shù)其他液體不相同，它從熱的狀態(tài)變成固體要比從室溫狀態(tài)下變成固體時間更短?？茖W家就此現(xiàn)象的發(fā)生提出了十幾種理論，但沒有一種能夠合理的解釋這種奇怪的物理特性。目前新加坡南洋理工學院的物理學家們提出了他們認為合理的一種解釋。

科學家表示這種解釋存在于水分子之間的罕見的相互作用。每一個水分子通過名為“氫鍵”的高度帶電電磁連接與周圍的分子相連。正是它產(chǎn)生了水的表面張力，同時導致它與其它液體相比具有更高的沸點。然而，南洋理工學院的孫長清（Sun Changqing）博士和張希（Xi Zhang）博士辯論稱它還決定了水分子能夠存儲和釋放能量。他們認為能量釋放的速率與水的最初狀態(tài)有關，因此他們計算出熱水結冰時釋放能量的速率更快。

長清博士表示：“水釋放能量的過程和速率內(nèi)在的與能量源的初始狀態(tài)有關?！?姆潘巴現(xiàn)象是以一名名叫艾拉斯托-姆潘巴(Erasto Mpemba)的坦桑尼亞學生為名，他觀察到熱的冰淇淋混合物比冷的冰激凌混合物結冰的更快。與坦桑尼亞達累斯薩拉姆大學學院的一名物理學教授一起，他于1969年發(fā)表了一篇文章顯示在相似的容器里，相同量的沸水和冷水是以不同速率結冰，熱水結冰的更快。

在此之前也有科學家描述了相似的觀測，例如亞里斯多德，弗朗西斯-培根（Francis Bacon）和勒內(nèi)-笛卡爾(Rene Descartes)。這種效應也可以幫我們解決一些實際問題，例如冬天是否應該使用沸水解凍汽車擋風玻璃上的冰霜，以及熱水管子是否比冷水管更容易凍結。

有的人否認這種效應的存在，他們認為這事實上是一種實驗程序的人工制品，但其他人表示小心控制的實驗也會產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象。另一種理論表明熱水會釋放水里溶解的氣體，從而導致它變得更黏。

去年英國皇家化學學會發(fā)布公告懸賞1000英鎊，獎勵給任何能夠解釋姆潘巴現(xiàn)象工作原理的個人或團體。今年早期克羅地亞薩格勒布大學的化學研究助理尼古拉-布勒格維克(Nikola Bregovic)被宣布為該獎的得主。

他利用實驗室的燒杯進行了相關實驗，研究結果表明對流效應可能是該現(xiàn)象的“幕后推手”。布勒格維克表示熱水里的對流導致它冷卻的速度更快。然而孫長清博士和張希博士試圖從分子水平檢測這一過程從而進一步解釋這種效應。

上周他們在期刊《科學報告》上發(fā)表的文章顯示了水分子在形成冰時是如何自我排列的。他們還在期刊《化學物理》上發(fā)表了另一篇文章解釋姆潘巴現(xiàn)象。他們認為每個分子里氫鍵和連接氫原子和氧原子之間更強的化學鍵，也即共價鍵之間的相互作用是導致這種效應的主要原因。

一般來說，當液體被加熱，原子之間的共價鍵會拉伸并存儲能量。科學家辯論稱在水中，氫鍵產(chǎn)生了另一種罕見的效應導致加熱時共價鍵會縮短并存儲能量。這導致了與在冷卻狀態(tài)所存儲能量相比，共價鍵會以指數(shù)形式釋放能量。因此熱水會更快的失去更多能量。

長清博士表示：“加熱過程會縮短并固化H-O共價鍵，從而存儲能量。倘若放在冰箱里冷卻，H-O共價鍵會以指數(shù)的速率釋放能量，從而產(chǎn)生姆潘巴現(xiàn)象?！?/p>

英國皇家化學學會總共收到了22000多個針對姆潘巴現(xiàn)象的回復，盡管這一競賽已經(jīng)結束，但他們?nèi)猿掷m(xù)收到不同理論的解釋。作為評審最佳解決方案的專家小組的一員，英國帝國理工學院的布列戈維奇先生說道：“這個小而簡單的分子讓我們都驚訝不已，它略施展了點魔法就激起了我們濃厚的興趣。”幫助評審這一競賽的倫敦帝國理工學院的埃涅阿斯-維納（Aeneas Wiener）補充說道：“最新的文章演示了即使是看起來非常簡單的現(xiàn)象，潛心鉆研也會揭示其更多復雜性，而這是值得的。我們希望這能夠激勵更多年輕人進行科學研究?！?/p>

與姆潘巴一起發(fā)表文章描述姆潘巴效應的坦桑尼亞達累斯薩拉姆大學學院的講師丹尼斯-奧斯本(Denis Osborne)說道：“好幾個不同的機制可能導致或者共同導致了姆潘巴效應。作者們描述的H-O共價鍵特性可能是其中的原因之一。”（鳳凰科技）

新聞來源：http://science.kexue.com/2013/1105/35922.html