ทำไม "น้ำแข็ง" ถึง "ลอยน้ำ"? ทั้งที่เป็นของแข็ง?

ตามหลักทางฟิสิกส์ทั่วไป สารส่วนใหญ่บนโลกเมื่อเปลี่ยนสถานะจาก "ของเหลว" ไปเป็น "ของแข็ง" อะตอมหรือโมเลกุลจะยิ่งบีบตัวชิดติดกันมากขึ้น ส่งผลให้วัตถุมีความหนาแน่นสูงขึ้นและจมลงสู่ด้านล่างเสมอ แต่สำหรับ "น้ำ" สารธรรมดาที่เราดื่มกินอยู่ทุกวัน กลับมีพฤติกรรมสุดแปลกประหลาดและแหกทฤษฎีธรรมชาติอย่างสิ้นเชิง เพราะเมื่อน้ำเปลี่ยนสถานะกลายเป็นน้ำแข็ง มันกลับเบาลง มีความหนาแน่นลดลง และขยายตัวจนสามารถ "ลอยอยู่เหนือน้ำ" ได้อย่างน่าอัศจรรย์

ความลับนี้ซ่อนอยู่ในพันธะเคมีที่เรียกว่า "พันธะไฮโดรเจน (Hydrogen Bonds)" ระหว่างโมเลกุลของน้ำ ในสถานะของเหลว โมเลกุลของน้ำจะเคลื่อนที่ไปมาอย่างอิสระ มีพลังงานความร้อนคอยดันให้โมเลกุลเกาะกันอย่างหลวมๆ และกระจายตัวสลับสับเปลี่ยนตำแหน่งกันตลอดเวลา ทำให้ความหนาแน่นของน้ำอยู่ในระดับปกติ

แต่เมื่ออุณหภูมิลดต่ำลงเรื่อยๆ จนถึงจุดเยือกแข็งที่ 0 องศาเซลเซียส โมเลกุลของน้ำจะสูญเสียพลังงานความร้อนและเริ่มเคลื่อนที่ช้าลง พันธะไฮโดรเจนจะเริ่มตรึงโมเลกุลของน้ำให้จัดเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบในรูปแบบโครงสร้างผลึกทรงหกเหลี่ยม (Hexagonal Lattice) โครงสร้างใหม่นี้บังคับให้โมเลกุลของน้ำต้องถอยห่างออกจากกันเพื่อคงรูปทรงไว้ ทำให้เกิด "ช่องว่าง" ขนาดใหญ่ขยายตัวอยู่ตรงกลางระหว่างโมเลกุล

การขยายตัวและมีช่องว่างเพิ่มขึ้นนี้เอง ที่ทำให้น้ำแข็งปริมาตรเท่าเดิมมีความหนาแน่น "น้อยกว่า" น้ำในสถานะของเหลวประมาณ 9% เมื่อวัตถุที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าไปอยู่ในของเหลวที่มีความหนาแน่นมากกว่า น้ำแข็งจึงถูกแรงบวมพยุงให้ลอยขึ้นสู่ผิวน้ำนั่นเอง

คุณสมบัติพิเศษสุดประหลาดของน้ำนี้ ถือเป็นหัวใจสำคัญที่ช่วยค้ำจุนชีวิตบนโลก เพราะในช่วงฤดูหนาวที่อากาศติดลบ น้ำบนผิวน้ำของแม่น้ำหรือทะเลสาบจะแข็งตัวและลอยอยู่ด้านบน ทำหน้าที่เป็นเหมือน "เกราะฉนวนกันความร้อน" ช่วยปกป้องไม่ให้น้ำในชั้นล่างสุดแข็งตัวตามไปด้วย ทำให้สิ่งมีชีวิตใต้ท้องทะเล ปลา และพรรณไม้น้ำ สามารถมีชีวิตรอดผ่านพ้นฤดูหนาวอันโหดร้ายใต้น้ำแข็งไปได้ ซึ่งหากน้ำแข็งจมน้ำเหมือนสารอื่นๆ แม่น้ำและมหาสมุทรทั้งโลกก็คงจะแข็งตัวกลายเป็นน้ำแข็งตั้งแต่ก้นบึงจนไม่มีสิ่งมีชีวิตใดอาศัยอยู่ได้เลย