水在攝氏4度時密度最大.絕大多數物質有熱脹冷縮的現象，溫度越低體積越小，密度越大而水在4℃時體積最小，密度最大，為1kg·m?3(即1g·cm?3。這一現象也可以用水的締合作用加以解釋。接近沸點的水，主要是以簡單分子的狀態存在的。冷卻時一方面由於溫度降低，分子熱運動減小，使水分子間的距離縮小，另一方面，由於溫度降低，水的締合度增大，(H2O)2締合分子增多，分子間排列較緊密，這兩個因素都使水的密度增大，溫度降低到4.0℃時(嚴格講是3.98℃)，水有最大的密度，最小的體積。溫度繼續降低時，出現較多的(H2O)3及具有冰的結構的較大的締合分子，它們的結構較疏鬆，所以4℃以下，水的密度隨溫度降低反而減小，體積則增大。到冰點時，全部分子締合成一個巨大的、具有較大空隙的締合分子。水的這一性質對水生動植物的生存有著重要的意義。嚴冬季節，冰封江、湖、河面的時候，由於冰比水輕(0℃時冰的密度為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，有利於水生動植物的生存。 300多年前，人類就已知道水在攝氏4度時密度最大這一現象。雖然這一現象僅僅是由於水的分子結構造成的，但對於水的這種特性，人們至今仍不能作出科學的解釋。 日本物質材料研究機構物質研究所研究員三島修和鈴木芳治透過實驗證實，在低溫條件下兩種非晶態冰之間存在不連續性轉移。在低溫情況下，低密度水和高密度水呈完全不同的形態。這項研究不僅首次解釋了水在攝氏4度時密度最大的現象，而且在生態系統、水溶液系統等與水有關的領域有廣泛的研究與應用價值。該成果發表在最新一期的《自然》雜誌上。 多年來，科學家透過理論計算與實驗，一直在進行水的非晶態多樣性研究。水通常在攝氏零度時結冰。但水在攝氏零度以下時也可保持液體狀態，稱作過冷卻水。當過冷卻水到達臨界點以下時就會分離出兩種狀態，既低密度水和高密度水。與此相對應，也存在低密度和高密度兩種非晶態冰。由於水在低溫時易於結冰，也由於沒有非晶態冰之間互相轉移的現存理論，水的非晶態多樣性學說存在很多爭論。其中之一就是兩種密度的非晶態水是否會發生連續轉移。 日本科學家的這項研究，觀察了高密度非晶態冰（HDA）向低密度非晶態冰（ LDA）變化的過程。發現 H DA在零下158攝氏度以下時整體均一膨脹，在零下158攝氏度時隨著不均一的體積變化迅速向 L DA轉移。在轉移過程中，出現兩種成分共存狀態，隨著時間推移， H DA和LDA逐漸分離。研究證實，低溫下兩種水之間的轉移是不連續的。 科學家認為，這項研究成果是揭開水領域各種問題的重大突破，將對今後過冷卻水等研究產生重大影響，同時將帶動對同溫層中的雲的研究及在冰點下活動的動植物細胞記憶體在的過冷卻水的研究。如果今後能夠控制這兩種水的臨界點，就可以自由控制水的結晶，對人類控制地球環境和開發生物冷卻儲存技術極有價值。