アリストテレスは最初に、熱い水は冷たい水よりも速く凍ることに気づきましたが、化学者は常にパラドックスの説明に苦労してきました。 今まで
水は地球上で最も豊富な化合物の1つかもしれませんが、より神秘的な化合物の1つでもあります。 たとえば、ほとんどの液体と同様に、冷えると密度が高くなります。 しかし、液体とは異なり、4℃で密度が最大となり、その後、凍結する前に密度が低くなります。
固体の状態では、密度はさらに低くなり、そのため標準的な氷は水の上に浮かんでいるのです。 もし氷が水より密度が高かったら、湖や海は底の方から凍ってしまい、生命を可能にするような化学反応をほぼ確実に妨げてしまうからです。
それから、1960年代初頭に料理教室で、熱いアイスクリームミックスが冷たいものより速く凍ることを発見したタンザニアの学生の名をとって、ムペンバ効果という奇妙な効果があります。 (実際には、アリストテレス、フランシス ベーコン、ルネ デカルトなど、歴史を通じて多くの科学者がこの効果を指摘しています。)
ムペンバ効果とは、暖かい水は冷たい水よりも速く凍るという観察です。 この効果は何度も測定され、多くの説明がなされてきた。 1つは、温かい容器は冷蔵庫との熱的接触がよく、熱伝導率が高いというものです。 そのため、早く凍るというわけだ。
これらの説明はどれもまったく説得力がなく、それゆえ真の説明はまだ見つかっていません。 彼らは、ムペンバのパラドックスは、水を結合しているさまざまな結合のユニークな特性の結果であると述べています。
しかし、水分子を並べると、水素結合も重要な役割を果たすようになるのです。
水素結合は、共有結合よりは弱いですが、ヤモリが壁を登るときに使うファンデルワールス力よりは強いです。 たとえば、水の沸点が他の類似した分子の液体よりもずっと高いのは、水素結合によって結合しているからです。
しかし近年、化学者は水素結合が果たすより微妙な役割をますます認識するようになってきました。 たとえば、細い毛細血管の中の水分子は、水素結合でつながった鎖を形成している。 このことは、樹木や植物において重要な役割を果たしており、葉の膜を通過する水の蒸発が、根から水分子の鎖を効果的に引っ張り上げるのです。 しかし、液体が温められると、水素結合が伸び、水分子はさらに離れた場所に置かれるようになります。 このため、共有結合分子は再び収縮し、エネルギーを放棄する。 重要なのは、この共有結合がエネルギーを放棄する過程が冷却に相当することです。
実際、この効果は従来の冷却の過程に追加されます。 つまり、温かい水は冷たい水よりも速く冷えるはずだと彼らは言う。
彼らは追加の冷却効果の大きさを計算し、それが、熱い水と冷たい水の異なる冷却速度を測定する実験において観察される違いを正確に説明することを示しました。
しかし、Xiと共同研究者のアイデアは説得力がありますが、多くの物理学者がこの問題を解決するために必要とする理論的なスラムダンクには程遠いものです。 それは、この新しい理論が、少なくともこの論文では予測力を欠いているからです。
Xiと共同研究者は、水に関する従来の考え方では予測できない水の新しい特性を、自分たちの理論を使って予測する必要があります。 例えば、共有結合が短くなることで、他の方法では存在しないような水の測定可能な性質が生じるかもしれない。 この特性の発見と測定は、彼らの理論が必要とする決定的なものになるでしょう。
ですから、彼らはムペンバ効果の謎を解いたかもしれませんが、おそらく皆を納得させるためにもう少し努力する必要があるでしょう。 とはいえ、興味深いものです！
Ref: arxiv.org/abs/1310.6514: O:H-O結合の異常緩和がMpembaのパラドックスを解決する
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