絕大多數(shù)物質(zhì)有熱脹冷縮的現(xiàn)象,溫度越低體積越小,密度越大而水在4℃時(shí)體積最小,密度最大,為1kg·m?3(即1g·cm?3.這一現(xiàn)象也可以用水的締合作用加以解釋.接近沸點(diǎn)的水,主要是以簡(jiǎn)單分子的狀態(tài)存在的.冷卻時(shí)一方面由于溫度降低,分子熱運(yùn)動(dòng)減小,使水分子間的距離縮小,另一方面,由于溫度降低,水的締合度增大,(H2O)2締合分子增多,分子間排列較緊密,這兩個(gè)因素都使水的密度增大,溫度降低到4.0℃時(shí)(嚴(yán)格講是3.98℃),水有最大的密度,最小的體積.溫度繼續(xù)降低時(shí),出現(xiàn)較多的(H2O)3及具有冰的結(jié)構(gòu)的較大的締合分子,它們的結(jié)構(gòu)較疏松,所以4℃以下,水的密度隨溫度降低反而減小,體積則增大.到冰點(diǎn)時(shí),全部分子締合成一個(gè)巨大的、具有較大空隙的締合分子.水的這一性質(zhì)對(duì)水生動(dòng)植物的生存有著重要的意義.嚴(yán)冬季節(jié),冰封江、湖、河面的時(shí)候,由于冰比水輕(0℃時(shí)冰的密度為0.9168g·cm?3而水的密度為0.9999g·cm?3,它浮在水面上,使下面水層不易冷卻,有利于水生動(dòng)植物的生存.
300多年前,人類就已知道水在攝氏4度時(shí)密度最大這一現(xiàn)象.雖然這一現(xiàn)象僅僅是由于水的分子結(jié)構(gòu)造成的,但對(duì)于水的這種特性,人們至今仍不能作出科學(xué)的解釋.
日本物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)物質(zhì)研究所研究員三島修和鈴木芳治通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí),在低溫條件下兩種非晶態(tài)冰之間存在不連續(xù)性轉(zhuǎn)移.在低溫情況下,低密度水和高密度水呈完全不同的形態(tài).這項(xiàng)研究不僅首次解釋了水在攝氏4度時(shí)密度最大的現(xiàn)象,而且在生態(tài)系統(tǒng)、水溶液系統(tǒng)等與水有關(guān)的領(lǐng)域有廣泛的研究與應(yīng)用價(jià)值.該成果發(fā)表在最新一期的《自然》雜志上.
多年來(lái),科學(xué)家通過(guò)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn),一直在進(jìn)行水的非晶態(tài)多樣性研究.水通常在攝氏零度時(shí)結(jié)冰.但水在攝氏零度以下時(shí)也可保持液體狀態(tài),稱作過(guò)冷卻水.當(dāng)過(guò)冷卻水到達(dá)臨界點(diǎn)以下時(shí)就會(huì)分離出兩種狀態(tài),既低密度水和高密度水.與此相對(duì)應(yīng),也存在低密度和高密度兩種非晶態(tài)冰.由于水在低溫時(shí)易于結(jié)冰,也由于沒(méi)有非晶態(tài)冰之間互相轉(zhuǎn)移的現(xiàn)存理論,水的非晶態(tài)多樣性學(xué)說(shuō)存在很多爭(zhēng)論.其中之一就是兩種密度的非晶態(tài)水是否會(huì)發(fā)生連續(xù)轉(zhuǎn)移.
日本科學(xué)家的這項(xiàng)研究,觀察了高密度非晶態(tài)冰（HDA）向低密度非晶態(tài)冰（ LDA）變化的過(guò)程.發(fā)現(xiàn) H DA在零下158攝氏度以下時(shí)整體均一膨脹,在零下158攝氏度時(shí)隨著不均一的體積變化迅速向 L DA轉(zhuǎn)移.在轉(zhuǎn)移過(guò)程中,出現(xiàn)兩種成分共存狀態(tài),隨著時(shí)間推移, H DA和LDA逐漸分離.研究證實(shí),低溫下兩種水之間的轉(zhuǎn)移是不連續(xù)的.
科學(xué)家認(rèn)為,這項(xiàng)研究成果是揭開(kāi)水領(lǐng)域各種問(wèn)題的重大突破,將對(duì)今后過(guò)冷卻水等研究產(chǎn)生重大影響,同時(shí)將帶動(dòng)對(duì)同溫層中的云的研究及在冰點(diǎn)下活動(dòng)的動(dòng)植物細(xì)胞內(nèi)存在的過(guò)冷卻水的研究.如果今后能夠控制這兩種水的臨界點(diǎn),就可以自由控制水的結(jié)晶,對(duì)人類控制地球環(huán)境和開(kāi)發(fā)生物冷卻保存技術(shù)極有價(jià)值.