炎炎夏日,清涼美味的冰激凌是常見的消暑食品。但您是否知道,一杯小小的冰淇淋,竟然能引發一場國際化學大賽?
1963年,坦尚尼亞一位名叫姆潘巴的中學生,經常和同學們一起做冰淇淋吃。在做的過程中,他們總是先把牛奶煮沸,等冷卻後再放進冰箱冷凍。有一天,輪到姆潘巴做冰淇淋時,冰箱冷凍室已經快被塞滿了。為了搶佔剩下的冰箱空位,姆潘巴只好匆忙把牛奶煮沸,放入糖,等不及冷卻,就把滾燙的牛奶放到了冰箱裡。
一個半小時後,姆潘巴發現了一個讓他十分困惑的現象:他所放入的熱牛奶已經結成冰,而其他同學放的冷牛奶卻依然還是很稠的液體。照理說,水溫越低,結冰的速度越快,而牛奶中含有大量的水,應該是冷牛奶比熱牛奶結冰速度快才對,但事實怎麼會顛倒過來了?
姆潘巴把這個疑惑從初中帶到了高中。他先後請教了幾個物理老師,都沒有得到答案。一位老師感覺他提出的問題過於荒唐,甚至用嘲諷的口吻對他說:你說的這些就叫做「姆潘巴現象」吧!
執著的姆潘巴卻並沒有因為受到譏諷而放棄。一次,達雷斯薩拉姆大學物理系系主任丹尼斯•奧斯伯爾尼博士(Denis G. Osborne)來到到他們學校訪問,姆潘巴又提出了自己的疑問。這位博士沒有對他的問題嗤之以鼻,而是親自按照姆潘巴的陳述做了相同的實驗,結果的確觀察到了姆潘巴所描述的怪現象。於是,他邀請姆潘巴和他一起對這個現象進行了深入研究。1969年,他們共同撰寫了一篇關於此現象的論文,於是,這一現象果然被以姆潘巴的名字命名。這就是著名的——
姆潘巴現象,又名彭巴效應。指在同等容器、同等體積、同
等冷卻環境下,溫度略高的液體比溫度略低的液體先結冰的現象。
有關姆潘巴現象的解釋眾說紛紜,常見的一種解釋如下:
液體降溫速度的快慢不是由液體的平均溫度決定,而是由液體溫度梯度決定的,當熱的液體冷卻時,梯度較大,而且在凍結前的降溫過程中,熱的液體的溫度差一直大於冷的液體的溫度差。這種情況是由於上表面的溫度愈高,從上表面散發的熱量就愈多,因而降溫就愈快。
還有的認為水分更快蒸發導致熱水體積變小,一層霜隔絕了溫度更低的水以及溶質濃度存在差異。但任何一種解釋都很難讓人信服,因為這種效應並不可靠,彭巴效應並不是指熱水一定會比冷水先結冰,兩者的溫度如果有較大差異,那麼仍然將是冷水先結冰。
50多年過去了,當年的中學生姆潘巴,已經成為了一位兩鬢斑白的動物園退休管理員。但這個問題卻依然沒人能給他一個圓滿的答案。這個顛覆常識的現象被寫進了學術期刊,印在各種語言的化學課本裡,成了上個世紀留下的「世紀懸案」。
為了解答這個看似不起眼的小問題,英國皇家化學學會2012年6月懸賞了1000英鎊,開展一場為期六個月的比賽,冠軍將授予給予「姆潘巴現象」最佳解釋的人。
之後,他們收到了來自122個國家的超過22000條答案回復。其中的11條答案,進入到了最後的評選環節。2013年1月10日,英國皇家化學學會邀請姆潘巴本人出席了這場化學徵集大賽的頒獎典禮。
最終,克羅埃西亞薩格雷布大學物理化學系的尼古拉•布萊格威客博士,得到評委最多的投票。他認為,「過冷現象」是揭開「姆潘巴現象」的關鍵因素——「熱水會比冷水先結冰的現象,只出現在冷水發生過冷現象的時候。」
徵集大賽雖然落下了帷幕,但科學家們對於「姆潘巴現象」的研究卻並未結束。2013年11月,南洋理工大學的一個研究團隊又給出了另一種解釋,他們認為,是由於使水分子聚合的化學鍵的獨特性質導致了「姆潘巴現象」——氫鍵要比共價鍵弱一點,但比起分子間的作用力範德華力又強很多。正是由於氫鍵的存在,使得水分子之間的距離更近,也會使得分子間的排斥力更大,從而使得氧原子和氫原子之間的化學鍵發生了延展並貯存能量。當液體的溫度升高時,由於氫鍵發生延展水分子之間的距離也就增大了。而當液體溫度變低時水分子之間的距離也會收縮,從而釋放出能量,而這也加快了液體的溫度下降從而結冰。
雖然「姆潘巴現象」的研究仍未得到最終定論,但它卻帶給了我們深刻的啟迪:深奧的科學難題,有時就隱藏在我們身邊的日常生活之中,只要善於發現,勇於探索,即使再平凡的人,也會在歷史上鐫刻下自己的名字。