Bu durum, fizikteki en eski gizemlerden birini açıklayabilir.
Fizikteki en muazzam çelişki gibi gelmesine rağmen, sıcak su belirli koşullar altında soğuk sudan daha hızlı donuyor gibi görünüyor. Bu olgunun izleri, Aristo’ya kadar takip edilebilir, fakat bu olguyu gösteren deneylerin yüzyıllar boyunca yapılmasından sonra, kimse bunu açıklayamıyordu.
Şimdi fizikçiler, fizikteki en eski gizemlerden birinin çözümü olarak, hidrojen bağlarının tuhaf özelliklerine işaret ediyor; ancak diğerleri, sözde Mpemba etkisinin mevcut bile olmadığını iddia ediyorlar.
Mpemba etkisinin arkaplanına biraz bakacak olursak, bu olgu, Aristo’nun bunu ilk defa 2000 yıldan fazla süre önce fark etmesinden bu yana fizikçileri şaşırtıyor.
Francis Bacon ve Rene Descartes gibilerinden gelen benzer açıklamalar sonrasında, Tanzanyalı bir okul çocuğunun dondurma yaparken bu etkiyi farketmesi sayesinde, sıcak suyun soğuk sudan daha hızlı donma olasılığı nihayet 1960’larda geniş ölçüde kabul gördü.
Erasto Mpemba ile okul arkadaşları genelde sütü kaynatarak ve onu şeker ile karıştırarak ve bunu dondurucuya yerleştirmeden önce soğumaya bırakarak dondurma yapıyordu.
Bir gün, Mpemba sabırsızlandı ve karışımını dondurucuya koymadan önce soğumaya bırakmak yerine, hâlâ kaynayan sütü içeri yerleştirdi ve en iyisinin olmasını umdu.
Kendisinin dondurması, herkesi şaşkınlığa uğratan bir şekilde, akranlarınınkinden daha hızlı hazır oldu ve Mpemba 1969’da besbelli olan bu olguyu tanımlayan bir tez yayınlamak için bir fizik profesörü ile ekip oluşturdu.
Fakat Mpemba etkisi ile ilgili büyük bir sorun bulunuyor. Bu etki az çok kabul edilen bir gerçek olsa da, fizikçiler bunun nasıl işlediği hakkında fikir birliğine varamıyorlar, çünkü soğuk suyun zaten devasa bir üstünlüğü varken, nasıl oluyor da sıcak su, donma noktasına soğuk sudan daha hızlı şekilde ulaşıyor?
Ayrıca, geçmeyen bir tekrarlama sorunu da var.
Mpemba etkisini, güvenli ve tutarlı bir şekilde tekrarlama girişimleri başarısız oldu, fakat bunun hepten çürütülmesini önleyecek miktarda tutarsız bulgu var.
2012 yılında, Kraliyet Kimya Derneği, bilim insanlarından olguyu açıklamalarını isteyen bir yarışma düzenlemişti ve bütün dünyadan yaklaşık 22.000 tez gönderilmesine rağmen, açıklamalardan hiçbiri tek başına geniş bir fikir birliği oluşturacak kadar ikna edici değildi.
Signe Dean’ın geçen sene bizler için bildirdiği üzere:
“En çok öne sürülen hipotez … sıcak suyun daha hızlı buharlaşması, kütle kaybetmesi ve bu yüzden donmak için daha az ısı kaybetmeye ihtiyaç duyması. Ancak bilim insanları, Mpemba etkisini, buharlaşmanın gerçekleşmediği kapalı kaplarla da göstermişlerdi.
Bir diğer kuramsal tahmin de, suyun ısıyayma akımları geliştirmesi ve sıcaklığın, su soğudukça aşamalı şekilde değişmesi.
Hızlı şekilde soğuyan bir bardak sıcak su, bu süre boyunca daha yüksek sıcaklık farklılıklarına sahip olacaktır ve yüzeyden daha hızlı ısı kaybedecektir, oysa eşit oranda soğuk olan bir bardak suyun daha az sıcaklık farkı vardır ve süreci hızlandıracak daha az ısıyayım bulunur.
Fakat bu fikir de tamamen doğrulanmadı.”
Bu yüzden, yüzyıllar süren deneylerden sonra hâlâ cevap arıyoruz.
Şimdi, Dallas’taki Methodist Üniversitesi ile Çin’deki Nanjing Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, bir çözüme sahip olduklarını düşünüyorlar; su moleküllerinde bulunan hidrojen ile oksijen atomları arasında oluşan bağların sahip olduğu tuhaf özellikler, anlaşılmaz Mpemba etkisini açıklamanın anahtarı olabilir.
Su molekülü kümeleriyle yapılan canlandırmalar, belirli bir su molekülü içindeki hidrojen bağlarının (H-bağları) gücünün, etraftaki su moleküllerinin dizilişlerine bağlı olduğunu ortaya çıkardı.
Emily Conover, Science News için şöyle bildiriyor: “Su ısındıkça, daha zayıf olan bağlar kırılıyor ve molekül grupları, buzun kristal yapısını oluşturmak amacıyla yeniden dizilen parçalara dönüşebiliyor ve donma işlemi için bir başlangıç noktası görevi görüyorlar.”
“Soğuk suyun bu şekilde yeniden sıralanması için, ilk önce zayıf hidrojen bağlarının kırılması gerek.”
Diğer bir deyişle, sıcak suda, soğuk sudan daha fazla güçlü hidrojen bağı oranı buluyoruz, çünkü daha zayıf olanlar, sıcaklıklar arttıkça kırılmış oluyor.
Takım, tezlerinde şu karara varıyor:
“Çözümleme … Mpemba etkisi için moleküler bir açıklama öne sürmemize yol açtı. Sıcak suda, daha zayıf olan ve ağırlıklı olarak elektrostatik desteklere sahip olan H-bağları kırılıyor, ve güçlü H-bağı dizilişlerine sahip daha küçük su kümeleri, katı buzun altıgensel örgüsüne yol açan çekirdekleşme sürecini hızlandırıyor.
Bu yüzden su, rastgele dizilmiş su kümelerinden gerçekleşen değişimin zaman ve enerjiye mal olduğu soğuk sudan daha hızlı donuyor.”
Fakat bundan önce gelen tüm açıklamalarda olduğu gibi, bunun (veya bir etmen bileşiminin) gerçekten Mpemba etkisinde rol aldığından kesin şekilde olmadan önce, daha fazla kanıt görmemiz gerekecek.
Bazıları tekrarlama sorununu, olguyu elde etmek amacıyla farklı yönlerde bir araya gelen birkaç etmene (bunlara ısıyayma, buharlaşma ve süpersoğuma da dahil) ve donma işleminin anlık değil de aşamalı olduğu gerçeğine indirgese de, diğerleri Mpemba etkisinin inanılmaz şekilde ısrarcı bir efsaneden fazlası olmadığını söylüyor.
Yakın zaman önce Imperial College London Üniversitesi’ndeki bir takım tarafından çıkarılan bir diğer tez, sıcak ve soğuk su örneklerinin donma noktasına (0 Celcius derece) düşmesine kadar geçen zamanı gözlemledi.
Araştırmacılardan biri olan Henry Burridge, Science News‘a şöyle söylüyor: “Ne yaparsak yapalım, Mpemba etkisine benzeyen herhangi bir şey gözlemlemedik.”
Peki aslında burada ne oluyor? (Eğer varsa) hangi hükmün ilave araştırmalarla desteklendiğini bekleyip görmek zorunda olacağız, fakat söz konusu su olduğunda kesin olan bir şey var; bütün bu yıllardan sonra bile bizi hâlâ şaşırtıyor.
Hidrojen bağları tezi, Journal of Chemical Theory and Computation bülteninde ve çürütme tezi Scientific Reports bülteninde yayınlandı.
