新征程 创一流

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【新征程 创一流】材料与能源学院张亚刚教授团队破解姆潘巴效应之谜
文:唐志强, 黄维东, 张亚刚 图:唐志强, 黄维东, 张亚刚 来源:材料学院 时间:2022-07-22 9400

近日,我校材料与能源学院张亚刚教授团队在国际著名学术刊物 Infomat 发表了题为“Direct Observation of the Mpemba Effect with Water – Probe the Mysterious Heat Transfer”的研究论文 (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/inf2.12352),首次通过在水中系统的实验研究,发现了在水体系中直接观察到Mpemba 效应的条件,破解了Mpemba 效应之谜。硕士研究生唐志强、黄维东为论文共同第一作者,张亚刚教授为论文通讯作者。电子科技大学为论文第一单位和唯一通讯单位。

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这一研究成果解决了困扰物理化学科普界50多年的难题,通过实验完美清晰地终结了关于Mpemba 效应的困惑和争论,也进一步推进了人们对热传导和能量存储和传递的认识。在未来的教科书中,人们将不再将Mpemba 效应作为神秘而不可解释的现象,而张亚刚教授团队关于Mpemba 效应的实验工作,也将成为物理化学领域一个经典的科普实验,对培养科学思维、思辨与推理具有重要意义。

自然科学中有许多重要的问题,比如哥德巴赫猜想、梅森素数猜想、霍奇猜想、庞加莱猜想、黎曼假设、纳卫尔-斯托可方程等。有这样一个神秘现象,中学的物理和化学老师都给同学们讲过,也是《十万个为什么》中的经典问题(http://weishenme.in/wenti-516.html),国际、国内争论不休,争议和质疑也不断(http://bbs.tianya.cn/post-666-44786-1.shtml),这个现象就是Mpemba 效应。

1963年,在坦桑尼亚一所中学里,一个名叫姆潘巴的初中学生偶然发现放在冰箱里的热牛奶比冷牛奶先凝结(结冰)。照理说,水温越低,越先结冰,而牛奶中含有大量的水,应该是冷牛奶比热牛奶先结冰才对,偶然的发现让姆潘巴困惑不已,他把这个疑惑从初中带到了高中。姆潘巴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,他抓住达累斯萨拉姆大学物理系主任Osborne博士到他们学校访问的机会,又提出了自己的疑问。Osborne博士并没有对他的问题嗤之以鼻。回到实验室后,他按照姆潘巴的陈述做了冷热牛奶实验,结果观察到了姆潘巴所描述的颠覆常识的怪现象。1969年,姆潘巴和奥斯伯恩博士共同撰写了关于此现象的一篇论文,自此,这一颠覆常识的怪现象被命名为Mpemba 效应。姆潘巴效应,指在同等体积、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。

姆潘巴效应又被称为是科普界的“世界难题”。有人在自家冰箱做实验,有好奇心强的同学在中学实验室花整个暑假做实验,有大学工科师生自制测温仪器做实验,有人说姆潘巴效应根本不存在,有人奉为真理,2005年7月6日中央电视台CCTV10《走近科学》做过专门报道,但给出Mpemba 效应不存在的结论。

同学们很困惑,究竟谁对?网上一搜,更吃惊,多数说至今仍然是个谜!这也引发了激烈讨论:科学经典还是以讹传讹?是探索真理还是演绎真理?是坚持真理还是怀疑抛弃真理?

为此,华中科技大学物理学院物理学史专业2010级学生熊超在毕业论文的结论和展望中写道:“总之,这个现象争论不休,也没有像牛顿、爱因斯坦、普朗克之类的大物理学家来结束争论……”,“我觉得我们可以向中科院提议做这方面的实验,至少在我们学校做一下,结束这个令人迷惑的问题的争论。”

在中学时,张亚刚的科学启蒙老师,讲授初中化学的石忠老师和讲授高中化学的戴加宏老师都多次提及这一现象,他们那绘声绘色的表情、鼓励同学们不应迷信权威、大胆探索、未来要勇于破解这一神秘现象的教诲和期望,深深地印在他的脑海中。

在过去的几十年当中,围绕姆潘巴效应这一神秘现象,国际学术界和科普界争论不断。一篇《二十世纪十大科学骗局》的文章,里面甚至提到姆潘巴现象只是愚人节的产物,并被一些文章引用。

2012年英国皇家化学学会专门举办了解释姆潘巴现象的挑战赛,超过22000人参加,最后Erasto Mpemba本人宣布Nikola Bregovivic为获胜者。Bregović提出了造成姆潘巴现象的两个原因:(1)较冷的样品过冷而不是冻结(2)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。

虽有不少研究者提出了一些理论模型来试图解释其机理,但由于其叙述较为笼统,且涉及大量复杂的数学模型,使这些模型理论并未受大众所理解和接受。让人意外和吃惊的是,在水这一简单的体系中系统的实验研究极其罕见,更加深了公众对这一问题的不解和争论。

2016年,剑桥大学应用数学和理论物理系Paul F. Linden教授和帝国理工学院Henry C. Burridge教授在 Scientific Reports 上发表论文(Questioning the Mpemba effect: hot water does not cool more quickly than cold. Sci. Rep. 6, 37665; doi: 10.1038/srep37665 (2016).),质疑并明确指出,根据他们的实验结果Mpemba 效应是不存在的。这篇论文是勇敢和孤独的,因为这是迄今为止在国际学术刊物上发表的唯一的一篇指出Mpemba 效应不存在的科研论文。

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,作者认为这一模拟体系很好的证实了姆潘巴效应。(Exponentially faster cooling in a colloidal system. Nature, 2020, 584(7819): 64-68)。

现有的理论模型艰深晦涩,不仅大众,专业科技工作者也很难理解,除了理论模型,能否用简单直观的体系,系统的实验数据,来回答这个问题?在强烈的好奇心和科研人员使命感的驱动下,2020年初,张亚刚团队立志要解决这一困扰物理化学科普届50多年的难题。

研究历时一年多,从最初采用普通温度计,摄像机,手工读取数据,绘制曲线,到设计开发成套的实验装备,在团队持之以恒的坚持和探索下,从大量的实验数据中抽丝剥茧,从一个个影响因素中推敲琢磨,最终给出了在水这一简单体系中可以观察到Mpemba 效应的条件,并给出了解释。

带领团队破解Mpemba 效应之谜的张亚刚教授说:“非常开心,电子科大的团队,电子科大的研究生,持之以恒、齐心协力,有幸破解这一困扰物理化学科普届50多年的难题,在未来的教科书和科普读物中,因为我们成电人的发现,人们不再将Mpemba 效应视为神秘而不可解释的现象。”

此外,张亚刚教授团队还开发了研究Mpemba 效应的成套实验装备,并申请了中国发明专利。 "希望采用我们研发的实验装备,让对科学充满好奇的中小学生,也能通过物理化学领域这样一个经典的科普实验,培养科学思维、思辨推理和科学精神。"


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人物简介:张亚刚,电子科技大学材料与能源学院教授,博士生导师,美国南卡罗来纳大学博士,伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校博士后,2013年5月回国,入选国家青年人才,2019年当选中国化学会理事,2020年当选英国皇家化学会会士。四川省天府峨眉计划科技创新领军人才,四川省绿色发展专家库专家,四川省侨联特聘专家委员会专家,成都市知识产权规划发展专家,四川省科技厅绿色低碳重大专项专家组专家。培养毕业博士硕士15名,获省部级科技进步一等奖1项,二等奖3项,其中两项为第一完成人,获省部级优秀新产品一等奖1项。在国内外学术刊物和学术会议上发表论文100多篇,出版中英文专著章节3章,14项发明专利获得授权(第一发明人),参与研发的产品累计销售收入上亿元。


编辑:何乔  / 审核:何乔  / 发布:陈伟