Hầu hết mọi chất khi lạnh đi và hóa rắn thì co lại và trở nên nặng hơn, nhưng nước lại là một ngoại lệ kỳ lạ. Khi nước đóng thành đá, các phân tử của nó không xích lại gần nhau mà sắp thành một mạng lưới đều đặn có nhiều khoảng trống. Cấu trúc rỗng này khiến cùng một lượng nước khi thành đá lại chiếm nhiều chỗ hơn, nghĩa là nhẹ hơn khi tính trên cùng thể tích. Vật nhẹ hơn nước thì nổi, nên cục đá bồng bềnh trên mặt cốc.

Nguyên nhân cốt lõi nằm ở cách các phân tử nước liên kết với nhau bằng những mối nối đặc biệt. Khi còn ở thể lỏng, các phân tử trượt sát vào nhau khá lộn xộn và dày đặc. Khi lạnh xuống dưới không độ, chúng buộc phải sắp thành hình mạng lưới sáu cạnh có lỗ hổng ở giữa để các mối nối được ổn định nhất, và mạng lưới ấy chiếm thể tích lớn hơn. Vì cùng một khối lượng nước mà thể tích lại tăng lên khi thành đá, khối lượng riêng của đá giảm đi, nên nó nổi. Điều thú vị là nước đặc nhất ở khoảng bốn độ C chứ không phải ở điểm đóng băng.

Bạn có thể thấy hệ quả của điều này ngay trong tủ lạnh: một chai nước đầy để đông cứng có thể bị nứt hoặc bung nắp, vì nước nở ra khi hóa đá. Ở quy mô lớn hơn, chính đặc tính này giúp sự sống tồn tại qua mùa đông. Khi hồ ao đóng băng, lớp đá nổi lên trên tạo thành một tấm chăn cách nhiệt, giữ cho nước bên dưới vẫn lỏng để cá và sinh vật sống sót. Nếu đá chìm xuống, hồ sẽ đóng băng dần từ đáy lên và giết chết mọi thứ.

Nhiều người tưởng mọi chất khi đông cứng đều nặng hơn và chìm xuống, nhưng nước là ngoại lệ hiếm hoi nhờ cấu trúc nở ra khi đóng băng. Cũng có người nghĩ nước đá nổi vì bên trong có bọt khí, trong khi ngay cả đá trong suốt đặc ruột vẫn nổi. Nguyên nhân thật sự là mạng lưới phân tử rỗng khiến đá nhẹ hơn nước, chứ không phải nhờ không khí lẫn vào.