Gorąca woda zamarza szybciej niż zimna

Dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna? To jedno z pytań wciąż nurtujących naukowców. Badaczom z warszawskich uczelni w jej rozwikłaniu pomoże… sorbet owocowy. Wyniki badań mogą posłużyć do produkcji żywności o bogatszych wartościach odżywczych. Dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna? To pytanie po raz pierwszy w 1963 roku zadał uczeń tanzańskiego liceum Erasto Mpemba, który obserwował zamarzanie mieszaniny, z której przygotowywał lody. Po sześciu latach od jego obserwacji, opublikowano pierwszy artykuł naukowy dotyczący tego zjawiska, które zyskało miano efektu Mpemby., Niewytłumaczone zjawisko Gdy w styczniu 2013 r. Royal Society of Chemistry organizowało sympozjum z okazji 50-lecia odkrycia, poproszono wszystkich chętnych o przesłanie proponowanych wyjaśnień tego nurtującego pytania. Dotarło 22 tys. listów ze 122 krajów, ale żaden nie zawierał jednoznacznej odpowiedzi. – Choć od pierwszych obserwacji minęło ponad 50 lat, to naukowcy wciąż nie znają odpowiedzi na dwa zasadnicze pytania dotyczące efektu Mpemby: dlaczego tak się dzieje i czy można to zjawisko do czegoś wykorzystać? – podkreślił Maciej Jasiński doktorant z Kolegium Międzywydziałowych Indywidualnych Studiów Matematyczno-Przyrodniczych i Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego. Badania polskich naukowców Zespół naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego i Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego będzie poszukiwał odpowiedzi na obydwa te pytania. Na ich przeprowadzenie otrzymał 100 tys. zł, zajmując drugie miejsce w konkursie Inter – Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. – W proponowanym projekcie chciałbym poddać weryfikacji najnowszą teorię, próbującą wyjaśnić efekt Mpemby oraz sprawdzić możliwości jego zastosowania w produkcji żywności – tłumaczył Jasiński. Problem efektu Mpemby można wyjaśnić porównując cząsteczkę, składającą się z trzech atomów, do ojca, który trzyma za ręce dwójkę dzieci. Można sobie wyobrazić, że ręce to wiązania chemiczne łączące trzy atomy. – Gdy zwiększymy temperaturę takiej cząsteczki, to wzrośnie również jej energia, czyli każde z dzieci będzie ciągnęło ojca za rękę z nieco większą siłą. W takim układzie, wraz ze wzrostem temperatury, będzie rosła też długość wiązań chemicznych. Ten efekt występuje we wszystkich znanych cząsteczkach chemicznych, oprócz wody. W wodzie wraz ze wzrostem temperatury długość wiązań chemicznych zmniejsza się – powiedział Jasiński. Temperatura wpływa na wiązania chemiczne Naukowcy, którzy jako pierwsi zaobserwowali to zjawisko, doszli do wniosku, że to właśnie ono odpowiada za powstanie efektu Mpemby. – Gdyby wiązania w cząsteczce wody były niezależne od temperatury lub ich długość zmieniałaby się tak jak w innych cząsteczkach, to gorąca woda nie zamarzałaby szybciej. Niestety, teorii tej nie można sprawdzić w praktyce, bo natura dała nam takie, a nie inne cząsteczki wody. W takiej sytuacji można wykorzystać symulacje komputerowe. Można w nich dowolnie zmieniać parametry badanych cząsteczek i obserwować, jak będzie to wpływało na ich zachowanie i właściwości – wyjaśnił młody badacz. Zaplanowane doświadczenia Naukowcy będą symulowali zamarzanie różnych modeli cząsteczek wody. Liczą, że dzięki temu uda się wyjaśnić, która z właściwości cząsteczek rzeczywiście odpowiada za występowanie efektu Mpemby. Nie zamierzają jednak skończyć jedynie na symulacjach komputerowych, chcą też sprawdzić, czy wyniki ich prac można wykorzystać w praktyce.- Najpierw zbadamy, jak zachowuje się woda zmieszana z cukrem i innymi słodzikami. Musimy sprawdzić, jak substancje rozpuszczone w wodzie wpływają na występowanie efektu Mpemby i samo zamarzanie. Zazwyczaj temperatura zamarzania wody wtedy się obniża – powiedział Jasiński. Pierwszym poważnym obiektem ich badań eksperymentalnych będzie jednak …sorbet owocowy. – Standardowo podczas jego przygotowywania podgrzaną mieszaninę składników chłodzi się, a następnie zamraża. Zmodyfikujemy ten proces, poprzez pominięcie etapu studzenia – opisał naukowiec. Badania nad żywnością Porównując produkty przygotowane według standardowej receptury i zamrożone na gorąco, naukowcy sprawdzą, czy wykorzystanie efektu Mpemby umożliwi produkcję mrożonek czy sorbetów o zwiększonej wartości odżywczej. – Im krócej będzie on przebywał w wysokiej temperaturze, tym więcej cennych substancji odżywczych np. witamin uda się w nim zachować – dodał badacz. Naukowcy sprawdzą też, czy wykorzystując mrożenie na gorąco uda im się przedłużyć termin przydatności do spożycia niektórych produktów. – Im szybciej taki sorbet zamarznie, tym szybciej unieszkodliwione zostaną żyjące w nim mikroorganizmy odpowiedzialne za psucie się żywności – tłumaczył Jasiński. Nagroda od Fundacji na rzecz Nauki Polskiej Nagrodzony przez FNP projekt będzie realizowany przez rok. – Gdyby wszystko nam się udało, to byłby dobra okazja do nawiązania współpracy z przemysłem np. z producentem lodów. Dla przemysłu mogłaby to być ciekawa kampania reklamowa, służąca przy okazji popularyzacji nauki, a dla naukowców możliwość przeprowadzenia badań aplikacyjnych – uważa naukowiec. Wytłumaczenie Zjawisko wyjaśnić można przyglądając się bliżej budowie molekularnej wody. Jej pojedyncza cząsteczka zawiera bowiem spory atom tlenu, do którego z pomocą wiązań kowalencyjnych przyłączone są dwa mniejsze atomy wodoru. Jeśli jednak mamy więcej cząsteczek wody to zaczynają się one ze sobą zbijać w grupy z pomocą wiązań wodorowych. Wiązania te (które ostatnio po raz pierwszy dostrzeżono pod mikroskopem) są słabsze od wiązań kowalencyjnych lecz nie zmienia to faktu, że są one bardzo istotne – umożliwiają one istnienie ziemskiego życia jakim je znamy, bo to z ich pomocą tworzą się pewne struktury białek, kwasów nukleinowych i wielu innych złożonych substancji o ogromnym znaczeniu biologicznym, a do tego to właśnie dzięki niemu woda ma dużo wyższą temperaturę wrzenia niż inne płyny. I to właśnie wiązania wodorowe wyjaśniają efekt Mpemby. W normalnych warunkach bowiem wiązania te prowadzą do bliższego ściśnięcia cząsteczek wody, które zaczynają się odpychać rozciągając tym samym wiązania kowalencyjne wodoru z tlenem – czyli gromadząc w nich energię. Wraz z podgrzaniem wody wiązania wodorowe się wydłużają wobec czego cząsteczki wody są dalej od siebie i wiązania kowalencyjne oddają energię – przyspieszając schładzanie wody. Singapurscy badacze z Nanyang Technological University obliczyli o ile dokładnie powinno przyspieszyć schładzanie wody dzięki temu i potwierdzili to następnie w eksperymentach. A najpopularniejszy eksperyment dotyczący efektu Mpemby każdy z Was będzie mógł przeprowadzić już niedługo na dworze gdy temperatura spadnie sporo poniżej zera stopni: