Có lẽ nhiều bạn đã từng nghe nói đến việc nước nóng đôi khi có thể đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Mpemba, lấy tên theo một học sinh người Tanzania đã phát hiện ra việc hỗn hợp kem nóng đóng băng nhanh hơn hỗn hợp lạnh trong lớp dạy nấu ăn. Sau đó, cậu học sinh đã viết một bài báo về phát hiện của mình vào năm 1969 cùng với thầy giáo.

Hiệu ứng này lần đầu tiên được quan sát bởi Aritstốt vào thế kỉ thứ 4 TCN, sau đó là Francis Bacon và René Descartes. Lí thuyết giải thích hiệu ứng Mpemba bao gồm, nước nóng bốc hơi nhanh khiến cho thể tích còn lại giảm khiến việc đóng băng trở nên nhanh hơn, bên cạnh đó hơi nước bốc lên tạo thành một lớp sương trên bề mặt giúp cách nhiệt. Tuy nhiên trên thực tế, hiện tượng này không phải lúc nào cũng xảy ra và bạn sẽ thường xuyên thấy nước lạnh đóng băng nhanh hơn thay vì hiện tượng Mpemba xảy ra.

Cho đến nay vẫn chưa có một nghiên cứu chính thức nào nhằm giải thích chính xác lí do tại sao nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Mới đây, một nhóm các nhà vật lí tại trường đại học Công nghệ Nanyang, Singapore đã tìm ra lời giải thích cho hiện tượng trên nhờ vào việc phân tích cấu trúc liên kết của các phân tử nước.

Như chúng ta đã biết, mỗi phân tử nước bao gồm một nguyên tử oxi liên kết hóa trị với hai phân tử hidro. Các phân tử nước riêng biệt liên kết với nhau nhờ liên kết hidro, được tạo ra khi một nguyên tử hidro nằm gần một nguyên tử oxi của phân tử nước khác.

Liên hidrokết yếu hơn liên kết cộng hoá trị, nhưng lại mạnh hơn lực Van der Waals. Cũng chính nhờ liên kết hidro mà nhiệt độ sôi của nước cao hơn các chất lỏng khác.

Xi và các cộng sự cho rằng Lực liên kết hidro kéo các phân tử nước lại, kéo dãn liên kết cộng hoá trị O-H và tích trữ năng lượng. Khi nước nóng lên, liên kết hidro giãn ra, các phân tử nước co rút trở lại và tỏa năng lượng. Điểm quan trọng là điều này tương đương với việc làm mát. Như vậy hiệu ứng này cộng thêm vào quá trình làm mát thông thường, đồng nghĩa với việc nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh trong một số tình huống, giúp lí giải hiệu ứng Mpemba.

Nhóm của Xi đã tính toán độ lớn của hiệu ứng phụ này, và chỉ ra chính xác sự chênh lệch giữa tốc độ làm lạnh giữa nước nóng và lạnh. Rất thuyết phục!

Cách giải thích trên hiện chưa thể dùng để dự đoán các đặc tính mới của nước. Vì vậy, vẫn còn một bước cần giải quyết trước khi bí ẩn được giải đáp thỏa đáng. Dù sao, đây vẫn là một phát hiện lí thú.

Theo Physics Arxiv blog