Giải mã bí ẩn về hiệu ứng Mpemba

Mặc dù điều này nghe có vẻ bất hợp lý nghiêm trọng trong ngành vật lý, nhưng khi đặt dưới những điều kiện nhất định nước nóng sẽ đóng băng nhanh hơn nước lạnh. Hiện tượng kỳ lạ này đã được chính Aristotle phát hiện ra nhưng sau nhiều năm nỗ lực làm thí nghiệm để chứng minh vẫn chưa có ai đưa ra được lời giải thích thỏa đáng.

Tại thời điểm hiện tại, các nhà vật lý học chỉ ra rằng một số thuộc tính kỳ lạ của liên kết hydrogen là chìa khóa giải mã một trong những bí mật lâu đời nhất trong ngành vật lý này. Tuy nhiên, một số nhà khoa học khác lại không đồng tình và họ cho rằng thứ gọi là "hiệu ứng Mpemba" này không hề tồn tại.

Có nhiều vấn đề hóc búa xoay quanh hiệu ứng Mpemba này, hiện tượng này gây rắc rối đối với các nhà vật lý học bởi Aristotle lần đầu tiên phát hiện vào khoảng hơn 2000 năm trước.

Sau đó là những nhà vật lý học như Francis Bacon và René Descartes, khả năng nước nóng đóng băng nhanh hơn nước lạnh cuối cùng cũng được chấp nhận rộng rãi trong những năm 1960, nhờ có cậu học sinh người Tanzania, người đã chú ý đến hiệu ứng này khi làm kem.

Erasto Mpemba và bạn cùng lớp của mình thường làm kem bằng sữa đun sôi, trộn với đường và để nguội trước khi cho vào tủ lạnh để đông. Vào một ngày, Mpemba cảm thấy không đủ kiên nhẫn chờ hỗn hợp sữa nguội trước khi cho vào tủ lạnh, ông đã đưa sữa vẫn còn nóng vào trong tủ lạnh và hy vọng nó sẽ đông nhanh hơn.

Điều này khiến rất nhiều người cảm thấy ngạc nhiên khi kem của Mpemba đông nhanh hơn so với bạn cùng lớp. Năm 1969, Mpemba đã hợp tác với một giáo sư vật lý để đưa ra bài báo mô tả về hiện tượng rõ ràng này.

Nhưng ở đây có một vấn đề lớn với hiệu ứng Mpemba. Trong khi, hiệu ứng Mpemba được chấp nhận ít hơn hoặc nhiều hơn bởi thực tế, các nhà vật lý học không đồng tình về việc nó hoạt động một cách chính xác như thế nào. Nhiều người không coi đây là một sự thật hiển nhiên của vật lý, cũng có nhiều nhà vật lý học dù công nhận hiện tượng này tồn tại nhưng lại không thể tìm ra được một lời giải thích thỏa đáng, chính xác cho hiện tượng này. Vậy làm thế nào mà nước nóng có thể đóng băng nhanh hơn nước lạnh, khi mà rõ ràng rằng nước lạnh có nhiệt độ nằm gần điểm đóng băng đó hơn?

Có nhiều vấn đề hóc búa xoay quanh hiệu ứng Mpemba này. Vấn đề nằm ngay chính những thử nghiệm, khi mà có người có thể khiến cho hiệu ứng Mpemba xuất hiện nhưng có người thì lại không. Cả hai bằng chứng đến từ hai kết quả thử nghiệm đã không đưa lại một lời giải thích hợp lý.

Vào năm 2012, Cộng đồng Hóa học Hoàng Gia Anh (Royal Society of Chemistry) tổ chức một cuộc thi lớn yêu cầu các nhà khoa học giải thích hiện tượng vật lý này. Mặc dù nhận được hơn 22.000 kết quả nghiên cứu từ các nhà khoa học trên toàn thế giới gửi về, nhưng không có một lời giải thích thỏa đáng nào đủ sức thuyết phục cả.

Nhà báo khoa học Signe Dean làm việc tại National Geographic Úc viết:

"Giả thuyết nêu ra và được chấp nhận rộng rãi nhất đó là nước nóng bốc hơi nhanh hơn, mất trọng lượng nhanh hơn và vì thế cần ít nhiệt để đóng băng hơn. Tuy nhiên, các nhà khoa học cũng đã tái hiện được hiệu ứng Mpemba trong một lồng chứa kín, nơi không thể diễn ra hiện tượng bay hơi.

Một giả thuyết khác cho rằng nước tạo ra một dòng đối lưu và một gradient nhiệt độ riêng khi nguội đi tới điểm đóng băng.

Một cốc nước nóng giảm nhiệt độ nhanh sẽ có một sự chênh lệch nhiệt độ cao hơn hẳn trong suốt quá trình nguội đi của nó và bề mặt cốc nước sẽ mất nhiệt nhanh hơn. Trong khi đó, một cốc nước lạnh có ít sự chênh lệch nhiệt độ hơn, vì thế nó sẽ có ít dòng đối lưu hơn để đẩy nhanh được tốc độ làm lạnh.

Tuy nhiên, ý kiến này cũng chưa được công nhận chính thức".

Vậy là sau vài thế kỷ nghiên cứu và tìm tòi, chúng ta vẫn chưa có được câu trả lời thỏa đáng. Tuy nhiên, điều đó có thể thay đổi với nghiên cứu này.

Hiện giờ, các nhà khoa học từ trường Đại học Hội Giám lý phía Nam tại Dallas và trường Đại học Nam Kinh tại Trung Quốc cho rằng họ đã tìm ra lời giải đáp cho bí ẩn vật lý này: tìm ra những thuộc tính kì lạ trong mối liên kết giữa nguyên tử khí hydro và khí oxy trong phân tử nước.

Mô phỏng cụm phân tử nước trên máy tính cho thấy sức mạnh của liên kết hydro (hydrogen bond) phụ thuộc vào vị trí của chúng so với các phân tử nước kế bên.

"Khi nước được đun nóng, những liên kết yếu sẽ bị bẻ gãy, các nhóm phân tử tự do sẽ kết hợp lại thành cấu trúc đóng băng khi nhiệt độ giảm xuống, chính là bước xuất phát trước cho quá trình nước đóng băng", nhà nghiên cứu Emily Conover có nói với trang báo Science News.

"Đối với nước lạnh, để có thể đóng thành băng, những liên kết hydro yếu sẽ phải bị bẻ gãy trước".

Hay nói cách khác, chúng ta tìm thấy phần trăm cao hơn của liên kết hydro mạnh trong nước nóng hơn là nước lạnh, bởi liên kết Hydro yếu hơn bị phá vỡ khi nhiệt độ tăng lên. Điều mà nước nóng đã có sẵn rồi, có thể giải thích được tại sao nước nóng lại đóng băng nhanh hơn.

Các nhà nghiên cứu từ hai trường đại học đã kết luận như sau:

"Phân tích...đã dẫn chúng tôi tới khả năng tìm ra được lời giải thích cho hiệu ứng Mpemba. Trong nước ấm, những liên kết hydro (H-bonds) yếu có nhiều tĩnh điện sẽ bị bẻ gãy, những liên kết mạnh mẽ vẫn duy trì được sau quá trình đun nước sẽ đẩy nhanh quá trình tạo cấu trúc tinh thể đá, từ đó đẩy nhanh quá trình đóng băng. Do đó, nước đóng băng nhanh hơn so với nước lạnh trong khi đó việc chuyển đổi từ liên kết nước ngẫu nhiên sẽ không tốn thời gian và năng lượng như nước lạnh".

Nhưng những lời giải thích trước nghiên cứu này, chúng ta sẽ cần nhiều thí nghiệm cụ thể hơn trước khi có thể biết chắc chắn điều này hoặc một sự kết hợp giữa các nhân tố - đúng với những bằng chứng chứng minh thuyết phục cho hiệu ứng Mpemba.

Trong khi một số những vấn đề nhân rộng đến một vài yếu tố liên kết với nhau theo nhiều cách khác nhau để có được hiện tượng này - bao gồm đối lưu, bốc hơi và siêu lạnh (nhiệt động lực học) - và thực tế việc đóng băng là một quá trình từ từ, không tức thời nhưng nhiều người khác lại nói rằng hiệu ứng Mpemba không có gì nhiều hơn một bí ẩn dai dẳng.

Một bản báo cáo khoa học gần đây được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu từ trường Đại học Hoàng Gia London theo dõi thời gian nước nóng và nước lạnh hạ xuống tới khi đóng băng (0 độ C).

"Không có vấn đề gì với những thứ mà chúng ta đã làm, chúng ta không thể quan sát bất cứ điều gì tương tự giống hiệu ứng Mpemba" - Henry Burridge, một trong những nhà nghiên cứu đã trả lời trang báo Science News.

Vậy thực sự những gì đang diễn ra ở đây? Có quá nhiều những thử nghiệm chứng minh qua lại khiến những người thắc mắc, cũng như chính các nhà khoa học khó có thể giải thích được. Hiện tượng vật lý kì lạ này vẫn chưa được sáng tỏ sau nhiều thế kỷ và có vẻ còn lâu ta mới tìm ra được nguyên nhân - thậm chí là sau nhiều thế kỷ.