물은 다른 액체와 달리 영상 4도에서 부피가 가장 작은 무거운 상태가 되고, 온도가 낮아질수록 부피가 증가하여 가벼운 상태가 된다. 추운 겨울에도 호수나 강이 표면부터 얼어들어가 물고기 등 생명체가 살아갈 수 있는 환경이 조성되는 이유다. 그러나 물이 이같은 변화를 일으키는 원인에 대해서는 다양한 이론만 존재해왔다. 펨토초(1000조분에 1초) 단위로 빠르게 이루어지는 물의 구조 변화를 실험적으로 관찰할 수 없기 때문이다.
물은 결합 방식이 다른 두개의 구조가 동시에 존재하는 것으로 나타났다. 수소 두개와 산소 원자 한개로 이루어진 물 분자는 여러개가 결합해 하나의 '클러스터'를 형성한다. 이 클러스터의 구조가 한개가 아닌 두 개였던 셈이다. 4도 이하의 환경에서는 물을 구성하고 있는 클러스터의 구조가 밀도가 낮고 가벼운 것으로 나타났다. 따라서 물이 0도에 가까워질수록 가벼운 구조가 늘어나면서 얼음의 부피는 점점 커졌다. 영하 44도가 되면 두 가지 구조가 같은 비율을 같는 것으로 나타났다. 또한 물이 갖고 있는 두가지 구조는 동시에 존재하며 두 상태가 서로 바뀌는 '요동현상(fluctuation)'이 나타남을 밝혀냈습니다.
보통 물질은 액체에서 고체로 변하면 부피가 감소하는데 물은 고체인 얼음으로 변하면 오히려 부피가 증가한다. 물이 얼면 수소결합들이 100%가 되고 결합기둥이 네 방향으로 똑바로 선 구조를 만들어,액체보다 빈 공간이 많아지기 때문이다. 얼음이 녹으면 부분적으로 결합기둥이 눕혀지고 무너져서 빈 공간이 메워지므로,액체가 되면서 밀도가 높아지며 부피가 감소한다. 그러나 액체인 경우에도 수소결합은 여전히 많아서 유일한 물의 성질을 가지게 된다.
