При нагріванні речовина розширюється. Цей закон вірний майже завжди. Для води цей закон теж працює, але не при всіх температурах. При зростанні температури від нуля до чотирьох градусів ця рідина стискається. Чому так відбувається?
Практично всі речовини при нагріванні розширюються. Але не вода: в інтервалі від нуля до чотирьох градусів вона стискається. З'ясувати, чому так відбувається, вчені намагалися ще в XIX столітті, але вдалося це зробити тільки на початку XXI століття
Якщо речовина стискається, а не розширюється при нагріванні, це означає, що вона володіє негативним коефіцієнтом теплового розширення. Така властивість у певному температурному інтервалі має, наприклад, вісмут, галій, кремній і сурьма. Але це тверді матеріали, і пояснити стиснення можна зміною внутрішньої структури, в ході якої кристалічна решітка при збільшенні енергії атомів упаковується більш щільно.
Але як пояснити появу такого стиснення біля води? Перша теорія, яка хоч якось пояснювала це явище, ґрунтувалася на тому, що при такій температурі вода складається з «нормальної» і «крижоподібної» фаз. Вперше така модель була запропонована в XIX столітті, але пізніше її вдосконалили і знайшли експериментальні підтвердження.
Дослідники дійшли висновку, що при температурі, близькій до нуля, у воді існує два типи нанодоменів: області, схожі на аморфний лід високої і низької щільності. Коли ці структури плавляться при температурі від 0 ° C до 4 ° C, вони утворюють воду різної щільності, через що і відбувається стиснення.
Але насправді все виявилося не так просто. У 2009 році вчені з'ясували справжню причину такої поведінки води. Обсяг води визначається відстанню між молекулами H2O, яка регулюється довжиною водневих зв'язків. У рідкому стані молекули води зазвичай об'єднуються в невеликі кластери, зазвичай по п'ять штук.
Комп'ютерне моделювання показало, що зі зростанням температури довжина водневих зв'язків дійсно зростає, збільшуючи обсяг речовини. Але в діапазоні від 0 ° C до 4 ° C зменшується розмір кластерів - вони складаються не з п'яти, а з трьох частинок. У результаті розмір окремих елементів системи зменшується, і вони щільніше прилягають один до одного.
