热水比冷水更快结冰？这一反直觉现象是跨越2300多年的“未解之谜”。亚里士多德曾在《气象学》中记录了古人利用热水更快结冰，用以固定桅杆的方法。1960年，一位名叫Mpemba的坦桑尼亚中学生发现热牛奶可以更快冷冻形成冰激凌，从此这个反直觉的现象被称为姆潘巴效应（Mpemba effect）。

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所王军强团队宋丽建和霍军涛等人，对比研究了不同玻璃材料的能量老化弛豫过程，发现玻璃材料中存在类姆潘巴效应。相关成果日前在线发表于《物理评论快报》。

姆潘巴效应的可重复性一直存在争议，其诱发机制也不清楚。近期研究发现，姆潘巴效应并不仅仅存在于水中，在自旋玻璃、颗粒系统、量子系统等非相变弛豫过程中同样存在。由于水结冰形核过程是一级结构相变，存在较强随机性，这也是导致其重复性差的主要原因。玻璃材料老化过程不存在一级相变，排除了随机成核的影响，成为研究姆潘巴效应普遍性的理想材料模型。

该团队在前期工作中探测到非晶材料中的弛豫基本单元——弛豫子；发现大激活熵在触发Kovacs记忆效应中的关键作用；报道了一种全新的由应力驱动的记忆效应。

团队利用高精度纳米差示扫描量热仪Flash DSC测量了非晶合金、高分子玻璃和小分子玻璃在单步等温退火以及先高温后低温的双步退火条件下的热流变化，发现高温预退火后，即使玻璃的初始能量更高，其能量降低的更快，甚至超越了初始能量更低的样品。这表明玻璃材料能量老化弛豫过程中存在类姆潘巴效应。

经典理论模型，如 Tool-Narayanaswamy-Moynihan（TNM）模型，认为玻璃的老化过程是单一弛豫过程，即高能量玻璃达到相同能量状态所需时间比低能量玻璃更长。本工作发现的姆潘巴效应打破了该常识性认识。

研究团队通过分析不同退火条件下的热流弛豫峰，发现其快速老化过程源于双步退火重新激活势垒更低的β弛豫过程，且β弛豫的焓变越高，其能量老化弛豫速率越快。

Mpemba效应与Kovacs记忆效应作为玻璃材料中典型的非平衡弛豫现象，均涉及两步退火过程。先低温后高温退火可以诱发Kovacs记忆效应，而先高温后低温退火则诱发Mpemba效应，这说明两个退火温度之间具有不可对易的属性，有关不同模式弛豫子的相互作用仍需要更加深入的研究，这也为精准调控玻璃能量、优化热处理以及解决器件散热问题提供了新视角。

非晶合金、PVC高分子玻璃和单质玻璃硫的焓弛豫过程。图源：宁波材料所

相关论文信息：https://doi.org/10.1103/znc5-brc6