冰激凌裡的神奇化學效應

2021-01-21 湖南科技大學化學化工學院

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。



相關焦點

  • 奇妙的分子冰激凌
    分子料理,又名分子美食學,是近幾年海外比較流行的美食烹飪方法,這種被稱作分子美食學的新型概念,是將化學理論用於煮食之上,將食物的分子結構重組,以創造出全新的食材和口味來。  分子美食學告訴我們,冰激凌的產生是冰激凌原料在低溫下攪拌,產生大量氣泡的結果。而在其中加入液氮,也可以產生同樣的效果。
  • 香蕉皮提取物助冰激凌抗融
    【新華社微特稿】炎炎夏日,不少人喜歡吃冰激凌。可是,如果動作太慢,冰激凌會融化。加拿大研究人員從香蕉皮中提取纖維素納米纖絲,加入冰激凌,減緩冰激凌的融化速度。加拿大古爾弗大學研究人員在美國紐奧良參加美國化學學會第255屆全國會議和博覽會時報告上述研究成果。香蕉皮裡的纖維素納米纖絲十分微小,是人體頭髮絲直徑的幾千分之一。
  • 古人是這樣製冰、保存冰的,竟然還能利用化學做冰激凌!
    就像小時候夏天在大街上那種在泡沫箱裡賣冰棍的,上面蓋著被子,起到冷藏的作用。 有住下鄉下經驗的朋友一定都知道,井水是很涼的,小時候經常會把西瓜先放在井水裡涼一涼再撈上來吃。所以採用深井來藏冰,也是古人常見的做法,這可能也是「深井冰」這個詞的由來。
  • 年輕小夥擺攤賣「冒煙冰激凌」,5元一份,謝霆鋒也喜歡吃!
    夏天即將就要來臨,又到了一年吃冰棍冰激凌的季節啦!這幾天在東莞的街頭就偶遇了一種新奇小吃,一種會冒煙的冰激凌,非常神奇,由於整個製作過程都是煙霧繚繞,吸引了不少路過的市民圍觀,這種小吃究竟是什麼?據小攤的老闆介紹:這種美味又漂亮的冰激凌製作的時候需要有這種液體來幫助實現,它就是——液氮。
  • 「會冒煙的冰激凌」?難道有毒嗎?吃起來鼻子和嘴都冒煙的冰激凌
    夏天的太陽,熱的叫人受不了,此時不來一個和夏日絕配的冰激凌,怎麼對得起自己留的那麼多的汗呢,來一口冰激凌,補充一下糖分和能量。在街上看到一家會冒煙的冰激淋賣的很火,便去一飽口福。會冒煙的冰激凌做好的冰激凌上面籠罩著一層煙,這個煙是什麼呢,其實是水蒸氣,利用了液氮在常溫下會汽化的原理。
  • 創意盆栽冰激凌,輕鬆做出高顏值
    盆栽冰激凌自己做了冰激凌,感覺單吃還是有點單調,那就加點奧莉奧餅乾碎吧!要不凹個造型吧!原料:奧利奧餅乾、冰激凌、裝飾花、薄荷葉做法步驟:第1步、網購的奧莉奧餅乾碎第2步、顆粒大了點,放入破壁機的攪拌杯裡攪打第3步、這是攪打好的第4步、準備好的材料:
  • 迷惑……厄瓜多推出荷蘭豬味的冰激凌
    有些人喜歡用豚鼠(cuy)製成的冰激凌,當地人稱豚鼠為「cuy」。 現年78歲的退休老人瑪琳·佛朗哥在厄瓜多首都基多和桑戈基市之間的高速公路旁的一個攤位上試吃了一勺後說道,「我本來對這種冰激凌的味道持懷疑態度,但它確實很美味。」
  • 吃了不怕胖的養樂多冰激凌……這些新晉網紅...
    又到了一年中最熱的暑期了,今年又有一大波新品冰激凌悄悄上市,有跨界聯名的,也有搞怪奇葩的,在全家或者羅森便利店就能買到~一起來看看都有哪些值得拔草的?【東北鐵鍋燉】&nbsp>神奇的雪糕!作為網紅雪糕製造機奧雪,今年又出了一款難以想像的口味雪糕——東北鐵鍋燉。
  • 盆栽冰激凌,全新個性化植物清涼甜點,你們喜歡嗎?
    現在被冰激凌刷新了新的認識,不僅有冰激凌火鍋,冰激凌粉,冰激凌蛋糕,還有恐怖搞怪冰激凌和盆栽冰激凌。下面看下盆栽冰激凌,那個全新個性化植物清涼甜點,看看你們喜歡嗎?1:五顏六色的花朵藝莎冰激凌,盆栽的樣式加上花朵的裝扮,真是美極了,拿著方便,吃起來也是一種享受。這樣的盆栽冰激凌,你們喜歡嗎?2:本來是裝扮屋子的盆栽樣式,運營到冰激凌上面也是一種奇特的想法,再實下一定是大賣啊。你們喜歡這樣的全新個性化植物清涼甜點嗎?
  • 「冰激凌」中的蛋白質、脂肪和糖,哪個含量最多?
    品質好的冰激凌脂肪含量也不少。 你買到的冰激凌裡可能奶量極少,並不如想像中的營養。 買冰激凌記得對比配料表和營養成分表,現場製作的冰激凌要選擇環境衛生、安全有保證的店鋪。買小份、慢慢吃,吃太快可能導致冰激凌頭痛。 小朋友也可以吃冰激凌,但不建議主動給孩子購買。
  • 網紅俄羅斯海象冰激凌現假冒 多家平臺有售
    回家後,王先生發現這批冰激凌的包裝沒有中文標識,也沒有廠名廠址。 「除了一些俄文,一個中文標識都沒有,我懷疑這是三無產品,」王先生隨後向店老闆提出質疑,店老闆則稱自己店裡的所有產品都是從俄羅斯進口的,俄貨店是一家進口食品專賣店,不會有任何問題。 王先生表示,在與店家溝通後,曾要求對方出示關於冰激凌的入境貨物檢驗檢疫證明、廠家的授權書等相關材料,「均未得到回覆。」
  • 生活中神奇的化學故事
    神奇的納米材料 美國的科學家通過對佛羅裡達的海龜的研究,發現了一個非常有趣的現象: 大海龜通常要在佛羅裡達海邊的沙灘上產卵,而小海龜卻必須到大西洋另一側靠近英國的小島附近的海域去尋找食物,維持生活,再回到佛羅裡達海邊的沙灘上產卵,這樣一來一回的路線不一樣,海龜卻能準確無誤地完成了幾萬公裡的遷移,是什麼為海龜導航的呢?
  • 「冒煙冰激凌」事故頻出,你敢讓孩子吃嗎?
    一入口就能讓人有吞雲吐霧的能力,拍照片特別炫酷……一款冒煙冰激凌最近火了起來。在抖音上,還有一個「冒煙冰淇淋」的話題,有千萬人關注,話題裡的每一個視頻都洋溢著享受「冒煙冰淇淋」的喜悅。這款冰激凌不僅在國內有,國外還有一個特別的名字,叫「龍的呼吸」。
  • 神奇的音樂——莫扎特效應
    雖然他的生命只有短短的35年,可是他給人類留下的大礙量音樂財富卻歷久彌新,永遠在人類的精神世界裡熠熠生輝。相信關注過胎教的朋友都知道這樣一個觀念:傾聽莫扎特的音樂是非常好的胎教方式。這一觀念還真不是空穴來風,這是多位專家和學者經過實驗研究得出的結果。
  • 神奇的心理學效應系列(四)——巴納姆效應
    神奇的心理學效應系列(四)——巴納姆效應 2020-03-30 11:29 來源:澎湃新聞·澎湃號·政務
  • 一起踏上神奇的化學之旅!2019萬華化學神奇實驗室開放日今日啟動
    7月17日下午,萬華化學「神奇實驗室」第十八站——2019暑期煙臺開放日啟動儀式在煙臺市青少年宮舉辦。啟動儀式上,萬華實業集團黨委委員、工會主席王劍波表示,作為全球運營的化工新材料公司,萬華化學始終將履行社會責任作為公司長遠發展、持之以恆的目標,也一直希望充分利用自身的科學、研發實力和優勢,為青少年打造化學科普教育基地,從小培養他們對科學的興趣,讓小朋友們在近距離感知神奇化學世界的同時茁壯成長,進而為未來社會培養創新型人才。
  • 破解金字塔的神奇效應
    01神奇的「金字塔能」效應很早以前,科學家就發現金字塔具有一種神秘的力量:能使動物屍體木乃伊化,能使食物保持新鮮,能使刀片變得更為鋒利並延長使用年限,甚至能提高植物種子的發芽率,他們把這種現象稱為「金字塔能」效應。
  • 年輕帥小夥擺攤賣冰激凌,8元一份,顧客:為什麼還會冒煙?
    剛路過小吃城的門口的時候,我就被門口的一家會冒煙的冰激凌吸引了。冰激凌不是涼的嗎,怎麼還會冒煙,好奇心一直催促著我要進去看看是怎麼樣的,我進去的時候也看到有兩個人在買冰激凌,他們也很好奇,就問老闆:冰激凌的煙是咋冒的?年輕小夥只顧做著冰激凌,小夥也沒有回答什麼,而且老闆看上去非常年輕,稚氣未脫,也比較靦腆。
  • 感官科學家研究出吃冰激凌的七大步驟,美食也能帶來高潮體驗。
    把冰激凌從冰箱裡取出後,先不要著急吃。放置個15分鐘左右,等它變得觸感柔軟,無需用勺使勁去挖,此時它就會釋放出誘人的香味分子。這樣冰激凌即刻會給你帶來更強的味覺衝擊。讓冰激凌接觸到你的整個口腔,享受它帶給你的冰涼和奶油的絲滑。5. 嘗試張開你的嘴巴吸口氣,這樣口腔裡的所有感受器都能接收到冰激凌的美味。
  • 神奇的破窗效應
    1982年,詹姆斯·威爾遜和喬治·凱林提出了一種新的學術理論,名為破窗效應。該理論使用破窗來比喻社區內的混亂現象,將社區內的混亂和不活躍與隨後發生的嚴重犯罪聯繫起來。破窗效應理論在整個1990年代對美國的警察政策產生了巨大影響,在21世紀仍然具有深遠的影響力。