寧波材料所在玻璃材料中發(fā)現(xiàn)類姆潘巴效應(yīng)
熱水比冷水更快結(jié)冰??？這一反直覺現(xiàn)象是跨越2300多年的“未解之謎”。亞里士多德曾在《氣象學(xué)》中記錄了古人利用熱水更快結(jié)冰，用以固定桅桿的方法。1960年，一位名叫Mpemba的坦桑尼亞中學(xué)生發(fā)現(xiàn)熱牛奶可以更快冷凍形成冰激凌，從此這個反直覺的現(xiàn)象被稱為姆潘巴效應(yīng)（Mpemba effect）。然而，該現(xiàn)象可重復(fù)性一直存在爭議，其誘發(fā)機制也不清楚。
近期研究發(fā)現(xiàn)，姆潘巴效應(yīng)并不僅僅存在于水中，在自旋玻璃、顆粒系統(tǒng)、量子系統(tǒng)等非相變弛豫過程中同樣存在。由于水結(jié)冰形核過程是一級結(jié)構(gòu)相變，存在較強隨機性，這也是導(dǎo)致其重復(fù)性差的主要原因。玻璃材料老化過程不存在一級相變，排除了隨機成核的影響，成為研究姆潘巴效應(yīng)普遍性的理想材料模型。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所王軍強研究員團隊宋麗建研究員和霍軍濤研究員等人，從玻璃態(tài)物質(zhì)能量弛豫角度出發(fā)，利用高精度納米差示掃描量熱儀對比研究了不同玻璃材料的能量老化弛豫過程。
前期該團隊探測到非晶材料中的弛豫基本單元——弛豫子；發(fā)現(xiàn)大激活熵在觸發(fā)Kovacs記憶效應(yīng)中的關(guān)鍵作用；報道了一種全新的由應(yīng)力驅(qū)動的記憶效應(yīng)，相關(guān)成果發(fā)表在（PNAS 2023, 120, e2302776120; Phys. Rev. Lett. 2020, 125, 135501; Nat. Commun. 2023, 14, 8407; Adv. Mater. 2024, 36, 2311406; Acta Mater. 2020, 185, 38; Sci. China Mater. 2023, 66, 3706; Sci. China-Phys. Mech. Astron. 2023, 66, 256111; Intermetallics 2018, 93, 101）
團隊利用高精度納米差示掃描量熱儀Flash DSC測量了非晶合金、高分子玻璃和小分子玻璃在單步等溫退火以及先高溫后低溫的雙步退火條件下的熱流變化，發(fā)現(xiàn)高溫預(yù)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樣品。這表明玻璃材料能量老化弛豫過程中存在類姆潘巴效應(yīng)。
經(jīng)典理論模型，如 Tool-Narayanaswamy-Moynihan（TNM）模型，認(rèn)為玻璃的老化過程是單一弛豫過程，即高能量玻璃達(dá)到相同能量狀態(tài)所需時間比低能量玻璃更長。本工作發(fā)現(xiàn)的姆潘巴效應(yīng)打破了該常識性認(rèn)識。
通過分析不同退火條件下的熱流弛豫峰，發(fā)現(xiàn)其快速老化過程源于雙步退火重新激活勢壘更低的β弛豫過程，且β弛豫的焓變越高，其能量老化弛豫速率越快。
Mpemba效應(yīng)與Kovacs記憶效應(yīng)作為玻璃材料中典型的非平衡弛豫現(xiàn)象，均涉及兩步退火過程。先低溫后高溫退火可以誘發(fā)Kovacs記憶效應(yīng)，而先高溫后低溫退火則誘發(fā)Mpemba效應(yīng)，這說明兩個退火溫度之間具有不可對易的屬性，有關(guān)不同模式弛豫子的相互作用仍需要更加深入的研究，這也為精準(zhǔn)調(diào)控玻璃能量、優(yōu)化熱處理以及解決器件散熱問題提供了新視角。
研究成果以“Mpembalike abnormal aging kinetics of glasses derived from β relaxation”為題發(fā)表在Physical Review Letters 136, 207102 (2026）上 (DO1: 10.1103/znc5-brc6）。
寧波材料所宋麗建研究員為該論文第一作者，寧波材料所霍軍濤研究員、王軍強研究員為論文共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（52525105, 52271158, U25A20216, U24A2039）、國家重點研發(fā)計劃（2024YFB3813702）、寧波市青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才（2024QL001）以及寧波市“科技創(chuàng)新2035”重大專項（2024Z075）項目支持。
圖1 非晶合金、PVC高分子玻璃和單質(zhì)玻璃硫的焓弛豫過程
??（磁性材料及應(yīng)用實驗室 宋麗建）