Попытки представить воду как ассоциированную жидкость с плотной упаковкой молекул воды, подобно шарикам какой-либо емкости, не соответствовали элементарным фактическим данным. В этом случае удельная плотность воды должна была бы быть не 1 г/см3, а более 1,8 г/см3. Это первое. Второе доказательство в пользу особой структуры молекулы воды состояла в том, что в отличие от других жидкостей вода — это было уже известно — обладает сильным электрическим моментом, составляюющим ее дипольную структуру. Поэтому нельзя было представить наличие весьма сильного электрического момента молекулы воды в симметрической конструкции двух атомов водорода относительно атома кислорода, расположив все входящие в нее атомы по прямой линии, т.е. Н-О-Н.
Модель воды Бернала-Фаулера — трехструктурная, с наличием нескольких раздельных типов структур. Согласно этой модели, структура воды определяется структурой ее отдельных молекул.
В работе этих авторов была развита идея считать жидкую воду псевдокристаллом, согласно которой вода в жидком состоянии представляет собой как бы смесь трех компонент с различными структурами (структура льда, кристаллического кварца и плотно упакованная структура обычной воды).
Вода — это ажурный псевдокристалл, в котором отдельные тетраэдрические молекулы H2О связаны друг с другом направленными водородными связями, образуя гексагональные структуры. Таким образом Бернал и Фаулер сформулировали первую научную гипотезу о структуре воды. В дальнейшем она во многом подтвердилась, но многое в ней было уточнено и пересмотрено. На ее основе возникли более 20 моделей структуры воды, которые можно разделить на 5 групп; 1) непрерывные, 2) смешанные модели структуры воды (двух- и трехструктурные), 3) модели с заполнением пустот, 4) кластерные и 5) модели ассоциатов.
Непрерывные модели структуры воды утверждают, что вода — это единая тетраэдрическая сеть водородных связей между отдельными молекулами воды, которые искривляются при плавлении льда.
Смешанные модели: вода — это смесь двух или трех структур, например, одиночных молекул, их ассоциатов различной сложности – кластеров.
Дальнейшее усовершенствование этой модели привело к созданию модели с заполнением пустот (включая клатратные модели) и к кластерным моделям. Что такое кластеры? Кластеры содержат несколько сот молекул Н2О и подобно мерцающим скоплениям непрерырвно возникают и разрушаются вследствие местных флуктуаций плотности. Широко известна кластерная модель структуры воды А.Фрэнка и В.Вена, усовершенствованная Г.Немети-Г.Шерагой (1962). По этой модели, в жидкой воде, наряду с мономерными молекулами имеются кластеры, рои молекул Н2О, объединенных водородными связями со временем жизни 10-10 – 10-11 сек. Они разрушаются и создаются вновь. Практически все кластерные гипотезы основываются на том, что жидкая вода состоит из сети из 4-кратно связанных молекул Н2О и мономеров, которые заполняют пространство между кластерами. На граничных поверхностях кластеров имеются 1, 2- или 3-х кратно связанные молекулы. Еще данную модель называют моделью «мерцающих скоплений». По С.Зенину, кластеры и ассоциаты являются основой структурной памяти воды — долговременной (стабильные) и кратковременной (лабильные, неустойчивые ассоциаты).
Более подробно рассмотрим некоторые из этих структур воды.
Наиболее известна непрерывная модель структуры воды (или однородная модель воды), согласно которой вода не является смешанным веществом, а представляет собой непрерывную среду со сложным образом искривленными водородными связями. В отличие от кластерных и смешанных моделей непрерывная модель воды либо подвергает сомнению существование Н2О-мономеров, считая, что подавляющая часть молекул связана посредством Н-мостиков, либо полагает, что лишь незначительная часть воды имеет подобные связи. В непрерывной модели структуры воды рассматривается случайная неоднородность сетки водородных связей, и, следовательно, здесь можно говорить о различных энергетических состояниях молекул Н2О. Она хорошо согласуется с экспериментальными данными исследователей разных стран.
Следует упомянуть также многоструктурную (смешанную) модель воды, согласно которой вода состоит из различных агрегатов молекул Н2О, HDO, T2О и других.
Смешанной моделью структуры воды является модель К.Э.Тринчера (1981), согласно которой вода состоит из трех различных типов структур, часть из которых зависит от температуры. Свойства и аномалии жидкой воды, согласно Тринчеру, возможно объяснить только на основе структуры воды более высокого порядка, т.е. сверхмолекулярной макроструктуры воды в виде ассоциации множества Н2О-молекул. В температурной области между 0°С и 60°С (область, в которой появляются аномалии воды) она имеет поликомпонентную структуру, которая превращает ее в своеобразный «коллоид». При повышении температуры в этой температурной области структура воды переходит 4 фазы таким образом, что в 4 температурных точках происходит внезапное изменение соотношений между компонентами этого «коллоида воды». Это температуры 15, 30, 45 и 60°С.