Woda jest bardzo szczególną i kluczową dla nas, ludzi, substancją. Posiada ona wiele ważnych cech, a jedną z nich jest anomalna temperaturowa zmiana gęstości podczas krzepnięcia. Gdyby nie ta cecha, nie zamarzałaby tylko tafla wody na rzekach czy akwenach, ale cała ich objętość. Dlaczego tak się dzieje?

W przypadku większości materiałów i substancji wraz ze zmniejszaniem temperatury maleje energia kinetyczna budujących je atomów. To powoduje, że atomy są mniej ruchliwe, słabiej się od siebie odpychają i mogą znajdować się bliżej siebie. Makroskopowo obserwujemy to jako zwiększenie gęstości danej substancji wraz ze spadkiem jej temperatury. Gdy zachodzi zjawisko odwrotne, a więc gęstość maleje wraz ze spadkiem temperatury, mówimy o anomalnej zależności temperatury i gęstości, zwanej też ujemną rozszerzalnością cieplną (ang. Negative Thermal Expansion – NTE).

Co powoduje taką sytuację? W wodzie (H₂O) zmiana ta obserwowana jest w temperaturze ok. 4 °C i wynika z obecności wiązań wodorowych. W tej temperaturze zaczynają one dominować nad energią termiczną cząsteczek i wymuszają uporządkowaną, stabilną strukturę krystaliczną lodu, charakteryzującą się układem heksagonalnym. Takie ułożenie zmusza cząsteczki do oddalenia się od siebie, zostawiając między nimi puste przestrzenie, co przekłada się na spadek gęstości wody podczas krzepnięcia.

Jak widać, w przypadku wody zjawisko NTE zachodzi podczas krzepnięcia i wynika ze zmiany struktury wewnętrznej chłodzonej substancji, a na wykresie zależności gęstości od temperatury obserwujemy charakterystyczny pagórek w temperaturze powyżej 0 °C. Podobnie zachowują się również inne ciecze, takie jak: krzemionka (SiO₂), tlenek germanu(IV) (GeO₂), fluorek berylu (BeF₂), ciekły tellur (Te), bądź krzem (Si) i german (Ge) w fazie przechłodzonej.

Ujemna rozszerzalność cieplna nie dotyczy wyłącznie cieczy. Zjawisko to występuje również podczas krystalizacji innych pierwiastków i związków (takich jak bizmut (Bi), antymon (Sb), gal (Ga), krzem (Si), german (Ge) czy kwas octowy), a dla szczególnych materiałów, takich jak wolframian cyrkonu (ZrW₂O₈), wolframian hafnu (HfW₂O₈) oraz trifluorek skandu (ScF₃), może zachodzić w szerokim zakresie temperatur.