Стандартното обяснение защо дъждът причинява корозия е, че водата носи разтворени соли и киселини към повърхността, постоянното барабанене на дъждовни капки изтрива каквото и да е защитно покритие върху нея, а кислородът върши останалото. Почти всички наши инструменти за предотвратяване на това – бои, полимерни филми или оксидни слоеве – са изградени около тази идея. Но очевидно сме пропуснали нещо важно за дъжда.

Ново проучване от Института „Макс Планк“ за полимерни изследвания в Майнц, Германия, показа, че водните капки редовно достигат до повърхност, носеща електрически заряд, достатъчно голям, за да пробие изолационно покритие. Не да го надраскат или да го разтворят бавно, а електрически да пробият дупка в нея, както искра прескача празно пространство.

Отправната точка на изследването е феномен, наречен „електрификация на плъзгане“, който е правилно количествено определен едва през последните няколко години. Когато водна капка се плъзга по изолираща повърхност като листо, боядисана стена, прозорец или пластмасов панел, тя отнема заряд от тази повърхност и оставя противоположен заряд след себе си. Напреженията, които са включени, не са тривиални. Капки, заредени по този начин, са измерени до 9000 волта.

Въпросът, който екипът си задава, беше какво прави този заряд с повърхността, върху която капката се приземи след това. За да разберат, екипът пусна 35-микролитрови водни капки, приблизително с размерите на голяма дъждовна капка, съдържащи щипка сол, за да имитират дъждовна вода, върху повърхност, наклонена на 50 градуса. Капките се плъзнаха около четири сантиметра, поеха заряд, търкаляха се от ръба и след това паднаха върху медна плоча, покрита с 60-нанометров филм от тефлон, който е едно от най-устойчивите химически  покрития на пазара днес.

Наклонените повърхности бяха избрани предимно за имитиране на дъждовни капки в реалния свят. Едната беше лист от растение Tradescantia spathacea, растящо в един от офисите на изследователите. Друга беше PVC пяна от магазин за железария. Третата беше лист от прозрачен полистирол, продаван като остъкляване на прозорци. Само четвъртата, флуорираното покритие върху кварц, беше по-скоро лабораторно творение, отколкото нещо, което хората обикновено виждат навсякъде около себе си. Зарядите, които капките поеха, варираха от 0.2 нанокулона от листа до два нанокулона от флуорирания кварц. Един нанокулон в нещо с размерите на дъждовна капка се оказва няколко хиляди волта.

След 3000 капки, приблизително еквивалентни на следобед с умерен дъжд, медната плоча под всичките четири повърхности беше корозирала въпреки тефлоновото си покритие. Атомносиловата микроскопия на зоните на удар откри вдлъбнатини с дълбочина няколко нанометра на места, по-дълбоки от цялата дебелина на тефлоновия филм, което означава, че повредата е преминавала през покритието и в метала. Капки, които са паднали директно върху целта, без първо да се плъзнат (и следователно не са носили заряд), са оставили повърхността непокътната след същите 3000 удара.

Учените успяха да уловят механизма в действие с високоскоростни камери.

Във видеоклиповете изследователите видяха, че неутрална капка, приближаваща се до медната плоча, запазва гладко, кръгло дъно чак до контакта. Заредената капка прави нещо много различно. Докато се приближава до повърхността, долната ѝ страна се разтяга в конус на Тейлър – остра форма, която течността приема, когато електростатичната сила надделее над собственото си повърхностно напрежение. Конусът на Тейлър е знак, че електрическото поле между капка и метал е станало достатъчно силно, за да деформира водата.

Силата на полето трябва да продължи да се покачва, докато празнината се затваря. За да определят количествено този ефект, екипът моделира капката като проводяща сфера, носеща се над проводяща стена, след което изчисли как силата на полето се променя с разстоянието. Те откриха, че капка, носеща два нанокулона, достига 60 киловолта на милиметър, прагът на пробив на тефлона – силата на електрическото поле, при която изолаторът спира да изолира. Това се случва, докато капката е все още на около 10 микрометра от повърхността. За полистиролно покритие, което се предава при 19 киловолта на милиметър, пробивът се случва на 50 микрометра разстояние.

Учените открили, че след като покритието е нарушено, откритият метал се намира в солена капка с нов електрически потенциал върху нея. Това оставя обичайната електрохимия, която причинява корозия, свободна да действа върху повърхността, от която е трябвало да бъде блокирана. Изследователите идентифицирали продуктите от корозия върху медта чрез Раманова спектроскопия и рентгенова дифракция. Те открили меден оксид и основен меден хлорид, бледозеленото съединение, познато от изветрелите медни покриви. Елементното картографиране на повредените зони показало нахлуване на кислород и хлор, а нахлуване на флуор и въглерод от тефлона – точно това, което би трябвало да се случи, когато покритието е нарушено.

Самият полимер също се пренарежда химически. Полистироловите филми, ударени от заредени капки, са развили грапави петна, които светят зелено под лазер, което обикновеният полистирол не прави. Наномащабната инфрачервена спектроскопия проследи флуоресценцията до новообразувани двойни връзки въглерод-въглерод и въглерод-кислород, признак на материал, който е електрически образуван в нещо ново.

Екипът също така направи измервания на импеданса, за да разбере колко бързо се разгражда защитата. След 10 000 заредени капки бариерните свойства на тефлоновия филм са спаднали повече, отколкото след четири часа непрекъснато потапяне в солена вода – сравнение, избрано защото четири часа е приблизително общото време за мокър контакт, което капките осигуряват.

Освен това, след като повредата започне, тя се ускорява. Пробитото място се намокря по-лесно, задържа вода по-дълго и расте. След 50 000 капки корозиралото петно ​​е било с диаметър над един милиметър.

Авторите твърдят, че това има дълбоки последици за композитните материали като цяло. Навсякъде, където проводим или високопроводящ компонент е вграден в изолационна матрица, плъзгащи се заредени капки би трябвало да го намерят. Мостове, корпуси, боядисана стомана, полимерни корпуси на външна електроника и метални конструкции на исторически сгради – всички са кандидати.

Заредените капки, отбелязва екипът в статията, се образуват естествено в облаци, гръмотевични бури, океански вълни, фонтани и водопади, както и в промишлени процеси като електростатично пръскане и мастилено-струен печат. Механизмът, който описват, твърдят те, се е прилагал навсякъде, без никой наистина да го е измервал.

Снимка: Unsplash

Виж още: Слънчевата кола на Aptera извлича на ден достатъчно енергия за до 60 км пробег