冰激凌背后的神奇化学效应

炎炎夏日，冰凉美味的冰激凌是夏季常见的消暑食品之一。可是你是否知道，一杯小小的冰淇淋，竟然能引发一场国际化学大赛？

年，坦桑尼亚的一位中学生彭巴在制作冰淇淋时发现，热牛奶经常比冷牛奶先结冰，年，他和丹尼斯·奥斯伯尔尼博士（DenisG.Osborne）共同撰写了关于此现象的一篇论文，因此该现象便以其名字命名---彭巴效应。

在同等体积和同等冷却环境下，温度略高的液体比温度略低的液体（非纯水）先结冰的现象，被称之为“姆潘巴现象”，也称“彭巴效应”（音译），以坦桑尼亚学生埃拉斯托·姆潘巴的名字命名。

亚里士多德、培根和笛卡尔均曾以不同的方式描述过该现象，但是均未能引起广泛的注意。

年，坦桑尼亚的中学生姆潘巴经常与同学们一起做冰淇淋吃。在做的过程中，他们总是先把生牛奶煮沸，加入糖，等冷却后倒入冰格中，再放进冰箱冷冻。有一天，当姆潘巴做冰淇淋时，冰箱冷冻室内放冰格的空位已经所剩无几。为了抢占剩下的冰箱空位，姆潘巴只得急急忙忙把牛奶煮沸，放入糖，等不及冷却，就把滚烫的牛奶倒入冰格中，并送入冰箱。一个半小时后，姆潘巴发现了一个让他十分困惑的现象：他放入的热牛奶已经结成冰，而其他同学放的冷牛奶还是很稠的液体。照理说，水温越低，结冰的速度越快，而牛奶中含有大量的水，应该是冷牛奶比热牛奶结冰速度快才对，但事实怎么会颠倒过来了？姆潘巴把这个疑惑从初中带到了高中。他先后请教了几个物理老师，都没有得到答案。一位老师感觉他提出的问题怪异得近乎荒唐，就用嘲讽的口吻说：你说的这些就叫做姆潘巴现象吧！但执着的姆潘巴并没有认为自己的问题很荒唐，他抓住达雷斯萨拉姆大学物理系系主任奥斯伯尔尼博士到他们学校访问的机会，又提出了自己的疑问。这位博士并没有对他的问题嗤之以鼻。回到实验室后，博士按照姆潘巴的陈述做了冷热牛奶实验和冷热水物理实验，结果都观察到了姆潘巴所描述的颠覆常识的怪现象。于是，他邀请姆潘巴和他一起对这个现象进行了深入研究。年，他们共同撰写了关于此现象的一篇论文，因此该现象便以其名字命名。

有关彭巴现象的解释众说纷纭，常见的一种解释如下：

液体降温速度的快慢不是由液体的平均温度决定，而是由液体温度梯度决定的，当热的液体冷却时，梯度较大，而且在冻结前的降温过程中，热的液体的温度差一直大于冷的液体的温度差。这种情况是由于上表面的温度愈高，从上表面散发的热量就愈多，因而降温就愈快。

还有的认为水分更快蒸发导致热水体积变小，一层霜隔绝了温度更低的水以及溶质浓度存在差异。但任何一种解释都很难让人信服，因为这种效应并不可靠，彭巴效应并不是指热水一定会比冷水先结冰，两者的温度如果有较大差异，那么仍然将是冷水先结冰。

50年前，还是中学生的彭巴向老师提出这个问题，可50年过去了，依然没人能给他一个答案。这个不起眼的小问题被写进了学术期刊，印在各种语言的化学课本里，成了上个世纪留下的“世纪悬案”。

为了解答这个看似不起眼的小问题，有近年历史的英国皇家化学学会年6月悬赏英镑，向全世界征集“最站得住脚的答案”。

在这场“彭巴比赛”中，英国皇家化学学会从20封解答邮件中选出11份，进入最终环节。

年1月10日，英国皇家化学学会邀请已经长大的彭巴，去参加比赛的颁奖典礼。

最终，评委会宣布，能够最准确有力回答彭巴疑问的答案是尼古拉·布莱格威客提出的“过冷现象”。

随后，年11月南洋理工大学研究团队给出了答案，认为氢键给了水分子诸多特殊性质，如沸点较其他类似组成的液体高，即是因为氢键虽然比共价键弱，却比分子间的作用力「范德华力」强，使水分子能够聚合得更牢固。研究团队指出，彭巴效应也可由此解释，氢键将水分子拉近，却也触发它们之间的排斥力，这时氢键便会藉由伸展來储存能量。当液体温度上升时，水分子距离增大、氢键透过延展储蓄能量；而温度下降时，氢键随之萎缩，迅速释出能量冷却下来。

氢键(hydrogenbonds)在水温高时较长，以延展储蓄能量；遭遇低温时迅速缩短，释出能量冷却。

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