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Shear and bulk viscosities of water up to 1.6 GPa and anomaly in the structural relaxation time

Mediante técnicas de dispersión de luz y simulaciones, este estudio demuestra que la viscosidad de cizalladura del agua aumenta más rápido que la viscosidad volumétrica bajo alta presión, revelando una anomalía estructural donde el tiempo de relajación estructural alcanza un mínimo de aproximadamente 1 ps alrededor de 0,5 GPa debido a la aceleración inicial de la interconversión de enlaces de hidrógeno.

Autores originales: Jan Eichler, Johannes Stefanski, José Martin Roca, Isabelle Daniel, Bruno Issenmann, Chantal Valeriani, Frédéric Caupin

Publicado 2026-03-19

📖 5 min de lectura🧠 Análisis profundo

CC BY 4.0

Autores originales: Jan Eichler, Johannes Stefanski, José Martin Roca, Isabelle Daniel, Bruno Issenmann, Chantal Valeriani, Frédéric Caupin

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

¡Claro que sí! Imagina que el agua es como un baile de gigantes en una pista de baile muy especial. Normalmente, cuando la música es suave (baja presión), los bailarines (las moléculas de agua) se agarran de las manos formando círculos perfectos y tranquilos. Pero, ¿qué pasa si apretamos la pista de baile hasta hacerla inmensamente pequeña?

Aquí te explico lo que descubrieron los científicos en este estudio, usando un lenguaje sencillo y algunas analogías divertidas:

1. El escenario: El agua bajo una "montaña" invisible

Imagina que estás en el fondo del océano, pero no solo en el fondo, sino más profundo, bajo miles de kilómetros de roca. La presión es tan alta que es como si una montaña entera estuviera aplastando un solo cubito de hielo. En este lugar, el agua sigue siendo líquida, pero se comporta de una manera muy extraña.

Los científicos querían saber: ¿Cómo se mueve el agua bajo tanta presión? ¿Se vuelve más espesa como miel fría o más fluida como aceite?

2. Las dos "pegas" del agua: Viscosidad de corte y volumétrica

Para entender el movimiento del agua, los científicos midieron dos tipos de "pegas" o resistencia:

La viscosidad de corte (Shear Viscosity): Imagina que intentas deslizar una carta sobre una mesa. ¿Qué tan difícil es? Esa resistencia es la viscosidad de corte. Es lo que hace que el agua se sienta "espesa" cuando intentas moverla lateralmente.
La viscosidad volumétrica (Bulk Viscosity): Imagina que intentas comprimir una esponja mojada. ¿Qué tan difícil es apretarla? Esa resistencia a cambiar de volumen es la viscosidad volumétrica.

El descubrimiento:
Bajo presión normal, estas dos "pegas" son bastante similares. Pero a medida que aumentaron la presión (como si apretaran un tornillo gigante), descubrieron algo sorprendente: La "pegas" lateral (corte) se volvió mucho más fuerte mucho más rápido que la "pegas" de compresión.

Es como si, al apretar el agua, se volviera muy difícil de deslizar (como intentar mover un bloque de gelatina muy duro), pero seguía siendo relativamente fácil de comprimir un poco. La relación entre ambas cambió drásticamente: la "pegas" lateral se volvió el doble de dominante que la anterior.

3. El misterio del "reloj interno" (El tiempo de relajación)

Aquí viene la parte más mágica. Las moléculas de agua tienen un "ritmo" interno. Imagina que las moléculas son como bailarines que necesitan un segundo para soltarse de sus parejas y encontrar una nueva. A este tiempo se le llama tiempo de relajación estructural.

En la mayoría de los líquidos: Si los aprietas (aumentas la presión), se mueven más lento. Es como si los bailarines estuvieran tan apretados que no pueden moverse. El "reloj" se vuelve lento.
En el agua: ¡Al principio pasa lo contrario! Al aumentar la presión, el agua se mueve más rápido. Los bailarines parecen encontrar un ritmo más ágil.

El punto de inflexión:
Los científicos descubrieron que este "acelerón" no dura para siempre. Llegó un momento (alrededor de 0.5 GigaPascales, que es como 5.000 veces la presión atmosférica) donde el agua alcanzó su velocidad máxima de movimiento. Fue como si los bailarines hubieran encontrado la "zona de confort" perfecta para cambiar de pareja rápidamente.

Después de ese punto, si seguían apretando, el agua volvió a comportarse como un líquido normal y se volvió lenta de nuevo.

4. ¿Por qué ocurre esto? El rompecabezas de los enlaces

El agua es especial porque sus moléculas se agarran de las manos formando una red de "enlaces de hidrógeno" (como una telaraña).

Al principio, al apretar, la telaraña se distorsiona de una manera que permite a las moléculas cambiar de posición muy rápido. Es como si apretaras un resorte y, por un instante, saltara con más fuerza.
Los científicos creen que esto ocurre porque el agua tiene una anomalía estructural: en esa presión específica, la red de enlaces de hidrógeno se reorganiza de tal forma que permite el cambio más rápido entre diferentes formas locales.

5. ¿Por qué nos importa esto?

Puede parecer un experimento de laboratorio aburrido, pero tiene implicaciones increíbles:

En la Tierra: Hay vida en las profundidades de la corteza terrestre. Saber cómo se mueve el agua allí nos ayuda a entender dónde y cómo pueden vivir los microbios en lugares extremos.
En el espacio: Lunas como Ganímedes (de Júpiter) o Europa tienen océanos de agua líquida bajo capas de hielo gigantescas. Para saber si esos mundos pueden tener vida, necesitamos modelos climáticos precisos. Si el agua en esas profundidades se comporta de forma extraña (como descubrieron), nuestros modelos de cómo circula el calor y los nutrientes en esos océanos ocultos deben cambiar.

En resumen

Este estudio nos dice que el agua es un líquido rebelde. Bajo una presión inmensa, no se comporta como una simple sopa espesa. Primero se vuelve más ágil y rápida en su movimiento molecular, alcanzando un "pico de velocidad" antes de volver a lo normal. Es como si el agua tuviera un "superpoder" momentáneo bajo presión extrema, revelando secretos sobre su estructura que nos ayudan a entender desde la vida en las profundidades de la Tierra hasta los océanos ocultos de otros mundos.

Aquí presento un resumen técnico detallado del artículo "Shear and bulk viscosities of water up to 1.6 GPa and anomaly in the structural relaxation time" (Viscosidades de cizalla y volumétrica del agua hasta 1.6 GPa y anomalía en el tiempo de relajación estructural), traducido y adaptado al español.

1. Planteamiento del Problema

El agua es un líquido altamente anómalo cuyas propiedades (como la expansión térmica negativa o la disminución inicial de la viscosidad con la presión) se deben a su red de enlaces de hidrógeno abierta y tetraédrica. Bajo condiciones ambientales, la aplicación de presión distorsiona esta red, moviendo a los vecinos más lejanos a distancias más cortas.
Aunque se sabe que la viscosidad del agua disminuye ligeramente al aumentar la presión a temperaturas bajas, el comportamiento a presiones extremas (gigapascales) y temperaturas ambiente ha sido poco explorado y presenta grandes discrepancias en la literatura existente. Es crucial determinar:

Cómo evolucionan las viscosidades de cizalla ( $\eta$ ) y volumétrica ( $\eta_b$ ) hasta 1.6 GPa.
Si la anomalía en el tiempo de relajación estructural ( $\tau$ ) persiste o desaparece a altas presiones.
El impacto de estos cambios en fenómenos naturales (geología profunda, subsuelo terrestre) y tecnológicos (recuperación de petróleo, dinámica de océanos subsuperficiales en lunas heladas).

2. Metodología

Los autores emplearon una combinación innovadora de técnicas experimentales y simulaciones computacionales:

Celda de Yunque de Diamante (DAC): Se utilizaron para generar presiones hidrostáticas hasta 1.6 GPa a temperatura ambiente (~295 K).
Microscopía Dinámica Diferencial (DDM): Se adaptó esta técnica para medir la viscosidad de cizalla ( $\eta$ ). Se utilizaron esferas de poliestireno de ~345 nm (densidad cercana al agua para minimizar la sedimentación) suspendidas en el agua. El movimiento browniano de estas partículas se analizó mediante imágenes microscópicas para extraer el coeficiente de difusión y, mediante la relación de Stokes-Einstein, la viscosidad.
Espectroscopía Brillouin (BLS): Se realizó simultáneamente con la DDM para medir la atenuación del sonido ( $\alpha/f^2$ ) y la velocidad del sonido. En fluidos newtonianos, la atenuación del sonido depende tanto de la viscosidad de cizalla como de la viscosidad volumétrica ( $\eta_b$ ). Al combinar los datos de DDM y BLS, fue posible desacoplar y calcular $\eta_b$ independientemente.
Simulaciones de Dinámica Molecular (MD): Se realizaron simulaciones utilizando el modelo de agua TIP4P/2005 para validar las tendencias experimentales y explorar el comportamiento a presiones aún más altas.
Modelo Viscoelástico: Se aplicó un modelo de relajación estructural para interpretar los datos de atenuación del sonido y extraer el tiempo de relajación estructural ( $\tau$ ) y los módulos elásticos.

3. Contribuciones Clave

Medición simultánea de $\eta$ y $\eta_b$ : Es uno de los primeros estudios que reporta de manera fiable y simultánea ambas viscosidades en agua pura a presiones tan altas (hasta 1.6 GPa) y temperatura ambiente.
Resolución de discrepancias: El trabajo clarifica las grandes divergencias entre estudios previos (como los de Abramson con el método de la bola rodante o intentos previos de DDM), validando los resultados mediante la consistencia con la técnica de pinzas ópticas y simulaciones.
Descubrimiento de un mínimo en $\tau$ : Identificación de un comportamiento no monótono en el tiempo de relajación estructural, una anomalía dinámica que no se había reportado previamente en este rango de presión para el agua.

4. Resultados Principales

A. Viscosidad de Cizalla ( $\eta$ )

La viscosidad de cizalla aumenta con la presión, pero no de manera lineal.
Se observa un mínimo superficial cerca de la presión ambiente (que se hace más pronunciado al enfriar), seguido de un aumento acelerado a medida que la presión sube.
Los datos experimentales coinciden con la formulación IAPWS hasta ~1 GPa, pero se desvían hacia arriba (son más altos) en la extrapolación a presiones superiores, indicando que las formulaciones actuales subestiman la viscosidad a altas presiones.

B. Viscosidad Volumétrica ( $\eta_b$ ) y su Ratio

La viscosidad volumétrica también aumenta con la presión, pero a un ritmo diferente al de la viscosidad de cizalla.
Hallazgo Crítico: La relación $\eta_b / \eta$ disminuye drásticamente. A 0 GPa, la relación es aproximadamente 2.7, pero cae a la mitad (~1.35) a 1.6 GPa. Esto indica que la disipación de energía debida a cambios de volumen se vuelve relativamente menos importante comparada con la disipación por cizalla a altas presiones.

C. Tiempo de Relajación Estructural ( $\tau$ )

Contrario a la mayoría de los líquidos donde $\tau$ aumenta monótonamente con la presión, en el agua $\tau$ disminuye inicialmente al aumentar la presión.
El Mínimo: $\tau$ alcanza un mínimo global de aproximadamente 1 ps alrededor de 0.5 GPa.
Por encima de 0.5 GPa, $\tau$ comienza a aumentar nuevamente, recuperando un comportamiento "normal" similar al de líquidos simples.
Este mínimo en $\tau$ se interpreta como el tiempo de equilibración de los enlaces de hidrógeno.

D. Interpretación Física

El mínimo en $\tau$ sugiere una anomalía estructural donde la interconversión entre dos estados locales del agua (un estado tetraédrico de baja densidad y un estado desordenado de alta densidad) es más rápida.
Esto apoya la teoría de la "cascada de anomalías": las anomalías estructurales (ordenamiento) ocurren a presiones más altas que las anomalías dinámicas (viscosidad/difusión), las cuales a su vez ocurren antes que las anomalías termodinámicas. El mínimo en $\tau$ actúa como un proxy experimental para la línea de anomalía estructural.

5. Significado e Impacto

Geofísica y Planetología: Los resultados son vitral para modelar la convección y el flujo de agua en el interior de la Tierra (corteza profunda) y en lunas heladas del sistema solar (como Ganímedes), donde las presiones pueden alcanzar 1.6 GPa. Una viscosidad mal estimada afecta los modelos de habitabilidad y transporte de nutrientes.
Tecnología: Mejora la precisión en procesos industriales como la inyección de agua para recuperación de petróleo en yacimientos profundos.
Ciencia Fundamental: Proporciona una evidencia experimental sólida de la existencia de un mínimo en el tiempo de relajación estructural, validando modelos teóricos de dos estados para el agua y conectando las anomalías dinámicas con cambios en la red de enlaces de hidrógeno.

En resumen, el artículo redefine nuestro conocimiento sobre el comportamiento reológico del agua a altas presiones, demostrando que la transición de un comportamiento anómalo a uno "simple" no es abrupta, sino que está marcada por un mínimo dinámico en la relajación estructural alrededor de 0.5 GPa.