Ученые нашли новое объяснение «парадоксу Мпембы»

Странная способность горячей воды в определенных условиях замерзать быстрее, чем холодная, известна человечеству с древнейших времен. Этот эффект упоминается еще у Аристотеля, но в современную науку вошел после домашних экспериментов танганьикского школьника Эрасто Мпембы, и под его именем.

Воспроизвести результаты, продемонстрированные Мпембой и его соавтором, профессором Деннисом Осборном (Denis Osborne), удается не всегда, однако свидетельств в пользу этого странного эффекта, имеется достаточно много. Но вот объяснения «парадоксу Мпембы» нет до сих пор.

Еще в 2012 г. британское Королевское химическое общество объявило конкурс гипотез, объясняющих этот феномен, получив более 22 тыс. статей от ученых всего мира, однако ни одна из них не убедила большинство членов экспертной комиссии. Наиболее популярным объяснением остается испарение: горячая вода испаряется быстрее холодной, поэтому объем ее уменьшается немного быстрее, облегчая замерзание.

С другой стороны, и этот вариант нельзя назвать окончательным: эффект Мпембы демонстрировался и в условиях, исключавших испарение. Новое объяснение предложили недавно ученые из Китая и США, статью которых опубликовал Journal of Chemical Theory and Computation.

Авторы смоделировали поведение короткоживущих кластеров молекул воды, объединенных водородными связями, при разных температурах. Водородные связи намного (примерно в 18-20 раз) слабее обычных ковалентных химических взаимодействий, однако сила их зависит от геометрии взаимного расположения молекул, между которыми эти связи образуются.

По мере нагревания водородные связи ослабевают и, как показало моделирование, молекулы воды в кластерах меняют положение, занимая такие позиции, из которых им проще переходить к кристаллической структуре льда. В холодной воде все происходит так же, только энергии на разрыв водородных связей требуется больше – и замерзание, соответственно, должно проходить медленнее.