Почему при росте температуры от 0°C до 4°C вода сжимается

«При нагревании вещество расширяется». Этот закон верен почти всегда. Для воды этот закон тоже работает, но не при всех температурах. При росте температуры от нуля до четырех градусов эта жидкость сжимается. Почему так происходит?
Практически все вещества при нагревании расширяются. Но не вода: в интервале от нуля до четырех градусов она сжимается. Выяснить, почему так происходит, ученые пытались еще в XIX веке, но удалось это сделать только в начале XXI века

Если вещество сжимается, а не расширяется при нагревании, это значит, что оно обладает отрицательным коэффициентом теплового расширения. Таким свойством в определенном температурном интервале обладают, например, висмут, галлий, кремний и сурьма. Но это твердые материалы и объяснить сжатие можно изменением внутренней структуры, в ходе которой кристаллическая решетка при увеличении энергии атомов упаковывается более плотно.

Но как объяснить появление такого сжатия у воды? Первая теория, которая хоть как-то объясняла это явление, основывалась на том, что при такой температуре вода состоит из «нормальной» и «льдоподобной» фаз. Впервые такая модель была предложена в XIX веке, но позже ее усовершенствовали и нашли экспериментальные подтверждения.

Исследователи пришли к выводу, что при температуре близкой к нулю в воде в существует два типа нанодоменов: области, похожие на аморфный лед высокой и низкой плотности. Когда эти структуры плавятся при температуре от 0°C до 4°C, они образуют воду разной плотности, из-за чего и происходит сжатие.

Но на самом деле все оказалось не так просто. В 2009 году ученые выяснили настоящую причину такого поведения воды. Объем воды определяется расстоянием между молекулами H2O, которое регулируется длиной водородных связей. В жидком состоянии молекулы воды обычно объединяются в небольшие кластеры, обычно по пять штук.

Компьютерное моделирование показало, что с ростом температуры длина водородных связей действительно растет, увеличивая объем вещества. Но в диапазоне от 0°C до 4°C уменьшается размер кластеров — они состоят не из пяти, а из трех частиц. В результате размер отдельных элементов системы уменьшается, и они плотнее прилегают друг к другу.