姆潘巴现象

作者:时间:2023-05-06点击数:

姆潘巴现象:是指在同等质量和同等冷却环境下,温度略高的液体比温度略低的液体先结冰的现象。

在1963年时,坦桑尼亚的一位中学生姆潘巴在制作冰淇淋时发现,热牛奶经常比冷牛奶先结冰,并于1969年,姆潘巴和丹尼斯·奥斯伯恩博士共同撰写了关于此现象的一篇论文,因此该现象被命名为姆潘巴现象。

《新科学家》建议在35和5°C(95和41°F)的容器上开始实验,以使这种效应最大化。在相关的研究中,人们发现冷冻温度也影响观察姆潘巴现象的可能性以及容器温度。

而在2012年,英国皇家化学学会举办比赛,解释姆潘巴现象。超过22000人参加,最后Erasto Mpemba本人宣布Nikola Bregovivic为获胜者。Bregović提出了造成这种影响的两个原因——较冷的样品过冷而不是冻结,较温暖的样品中的增强对流通过保持容器壁上的热梯度而加速冷却。

可是对于这种现象不少研究者对上述见解仍有争议。主流观点认为水中的氢键对这一现象至关重要。2015年Jin Jaehyeok等人从结晶层面提出在温水中水六聚体态的较高占比是姆潘巴效应下更快结晶的原因。陶和同事在2016年根据振动光谱和密度泛函理论优化水团簇模拟的结果提出了另一种可能的解释:随着温度升高,总体氢键作用减弱其中弱静电氢键断裂而强氢键的数量增加;当温水快速冷却时,由这些少量的强氢键带来的小而强结合的团簇的存在促进了六边形冰的成核,因此出现了姆潘巴现象。在2017年,两个研究小组独立且同时发现了姆潘巴效应的理论证据,并且还预测了一种新的“反向”姆潘巴效应,其中加热冷却的、远离平衡的系统比最初更接近平衡的另一个系统花费更少的时间。Lu和Raz给出了基于马尔可夫统计力学的一般准则,预测了Ising模型和扩散动力学中逆姆潘巴效应的出现。Lasanta及其同事还预测了颗粒气体在远离平衡的初始状态下的直接和反向姆潘巴效应,这篇最新的研究中提出导致这两种姆潘巴效应的一个非常普遍的机制是由于粒子速度分布函数显著偏离了麦克斯韦-玻尔兹曼分布。

2020年,加拿大Simon Fraser University的Kumar 和Bechhoefer教授在Nature上发表了题为:“胶体系统中的指数级快速冷却”的研究论文,构建了一个复杂的模拟胶体系统,将不同温度的玻璃珠放在水中,用激光照射在玻璃珠上来跟踪玻璃珠在水中的运动情况,并根据胶体体系模型的计算和推演,得出Mpemba 效应是可以发生的

但是尽管有很多解释,但仍没有一种完美的解释。所以,姆佩巴效应仍然是一个谜。




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