Effetto Mpemba: perché l'acqua calda può congelare prima di quella fredda

L'effetto Mpemba è il nome di un piccolo enigma che da sessant'anni divide chimici, fisici e cuochi: a parità di volume e di contenitore, l'acqua calda può congelare prima dell'acqua fredda. Sembra una contraddizione del buon senso, eppure il fenomeno è stato osservato così tante volte da meritarsi un nome proprio, un dibattito su Nature e perfino un premio internazionale della Royal Society of Chemistry.

La storia comincia in un'aula scolastica della Tanzania, nel 1963, quando uno studente di tredici anni si accorge che il suo gelato congela più in fretta se la base di latte è stata appena bollita. Da lì nasce un piccolo classico della divulgazione scientifica.

Chi era Erasto Mpemba

Erasto Bartholomeo Mpemba era uno studente della Magamba Secondary School. Durante una lezione di cucina, gli allievi dovevano preparare il gelato facendo bollire latte e zucchero e poi raffreddando il composto. Mpemba, in ritardo, mise nel congelatore la sua miscela ancora bollente. Notò che si solidificava prima di quelle dei compagni, raffreddate a temperatura ambiente.

Per anni il ragazzo cercò una spiegazione. La trovò solo nel 1966, quando il fisico britannico Denis Osborne, in visita alla scuola, decise di prendere sul serio la domanda. Insieme replicarono l'esperimento in laboratorio e nel 1969 pubblicarono i risultati sulla rivista Physics Education, in un articolo intitolato semplicemente "Cool?". Da allora il fenomeno si chiama effetto Mpemba.

Una scoperta antica come la filosofia

Mpemba e Osborne non furono i primi a notarlo. Aristotele, nel Meteorologica, scrive che "se l'acqua è stata prima riscaldata, contribuisce alla rapidità del congelamento". Anche Francesco Bacone, nel 1620, e Cartesio, nel 1637, accennano allo stesso paradosso, che evidentemente era patrimonio dei pescatori, dei contadini e di chiunque dovesse fare i conti con il ghiaccio quotidiano.

La differenza è che, prima del 1969, nessuno aveva pensato di studiarlo in modo sistematico. Il merito di Mpemba è proprio quello: trasformare un'osservazione di cucina in un esperimento ripetibile.

Perché l'acqua calda dovrebbe congelare prima

Da oltre cinquant'anni, fisici e chimici propongono spiegazioni diverse. Nessuna, per ora, è stata accettata come definitiva.

Evaporazione

L'acqua calda evapora più velocemente. Una parte della massa lascia il contenitore sotto forma di vapore, riducendo il volume da raffreddare. È l'ipotesi più intuitiva, ma da sola non basta: l'effetto si osserva anche in contenitori chiusi.

Convezione e gradienti termici

In un liquido caldo i moti convettivi sono più vigorosi. Questo redistribuisce il calore in modo che la superficie resti più calda del centro, accelerando lo scambio con l'aria fredda. Quando l'acqua inizialmente fredda raggiunge la stessa temperatura superficiale, le sue molecole sono già state "mescolate" di meno.

Gas disciolti

L'acqua appena bollita contiene meno gas disciolti (ossigeno, anidride carbonica). La presenza di gas modifica il punto di congelamento e la formazione dei primi cristalli di ghiaccio, e questo potrebbe spostare l'equilibrio.

Supercooling

L'acqua può rimanere liquida sotto zero in assenza di nuclei di cristallizzazione. L'acqua fredda di partenza tende ad andare in supercooling più dell'acqua calda, che invece "rompe" l'attesa prima. Lo hanno mostrato gli esperimenti di Auerbach all'Università di Adelaide.

Legami a idrogeno

Nel 2013, il team del fisico Xi Zhang alla Nanyang Technological University di Singapore ha proposto che a far la differenza sia la lunghezza dei legami a idrogeno tra le molecole d'acqua. A temperature più alte i legami sono più "tesi": quando si raffreddano rilasciano energia più rapidamente, anticipando il congelamento.

Il premio della Royal Society of Chemistry

Nel 2012 la Royal Society of Chemistry lanciò un concorso aperto: mille sterline a chi avesse fornito la migliore spiegazione dell'effetto Mpemba. Arrivarono oltre 22.000 contributi da tutto il mondo. A vincere fu il chimico croato Nikola Bregović, con un saggio che combinava convezione, supercooling e ruolo dei soluti.

Anche dopo il premio, però, nessuna spiegazione singola spiega tutti i casi sperimentali. Il dato è che il fenomeno dipende fortemente dalle condizioni: tipo di contenitore, posizione nel congelatore, presenza di brina, purezza dell'acqua.

Lo studio che mette in dubbio tutto

Nel 2016, i fisici Henry Burridge e Paul Linden dell'Imperial College di Londra pubblicarono su Scientific Reports un articolo provocatorio: dopo decine di prove controllate, non riuscirono a riprodurre l'effetto in modo affidabile. La loro conclusione: in laboratorio l'effetto Mpemba "non è un fenomeno robusto" e potrebbe dipendere dalla definizione stessa di "tempo di congelamento".

Da allora il dibattito è tornato vivace. Nel 2020 un gruppo della Simon Fraser University ha mostrato un effetto Mpemba "termodinamico" in sistemi controllati di particelle, riaprendo la pista teorica.

Domande frequenti

L'effetto Mpemba funziona davvero in cucina?

A volte sì. Mettendo nel freezer due contenitori identici, uno a 90 °C e uno a 20 °C, può capitare che il primo solidifichi prima. Dipende dal contenitore, dalla forma del freezer e dalla presenza di brina sui ripiani.

Si può accelerare lo scioglimento usando acqua fredda?

No: il fenomeno riguarda solo il congelamento, non il processo inverso. Per fondere il ghiaccio l'acqua calda è sempre più efficace.

Vale anche per altre sostanze?

Sì. Si parla di "effetto Mpemba generalizzato" per la cristallizzazione di polimeri, per gas in raffreddamento rapido e perfino per alcuni sistemi quantistici, su cui sono usciti studi tra il 2021 e il 2024.

Cosa resta della storia di Mpemba

Erasto Mpemba si è laureato in scienze naturali e ha lavorato a lungo nei servizi forestali della Tanzania. È morto nel 2020, ma il suo nome è entrato per sempre nella storia della fisica della materia. La sua vicenda è il promemoria che la scienza può nascere ovunque: anche da una domanda fatta in classe, davanti a un pentolino di latte caldo.

L'effetto Mpemba, ancora oggi, è uno dei rari casi in cui un fenomeno descritto da Aristotele duemila anni fa è tornato di attualità grazie a un adolescente africano e a un fisico inglese disposto ad ascoltarlo.