Знайдене несподіване джерело пошкодження поверхонь водою.
Стандартне пояснення корозії від дощу полягає в тому, що вода переносить розчинені солі та кислоти на поверхню, постійне падіння крапель дощу стирає будь-яке захисне покриття, а кисень робить свою справу. Майже всі наші інструменти для запобігання цьому — фарби, полімерні плівки чи оксидні шари — побудовані на цій ідеї. Але, схоже, ми недооцінювали один важливий аспект дощу.
Нове дослідження під керівництвом Чжун’юань Ні, Рюдігера Бергера та Ганса-Юргена Бутта з Інституту Макса Планка з дослідження полімерів у Майнці, Німеччина, показало, що краплі води, падаючи на поверхню, несуть достатній електричний заряд, щоб пробити ізолююче покриття. Не подряпати його. Не розчинити поступово. А електрично створити отвір, як іскра, що перескакує через проміжок.
Заряджений дощ
Вихідною точкою дослідження є явище, відоме як «трибоелектрифікація» (slide electrification), яке було належним чином кількісно оцінене лише в останні кілька років. Коли крапля води ковзає по ізолюючій поверхні, такій як листок, пофарбована стіна, віконне скло або пластикова панель, вона знімає заряд з цієї поверхні, залишаючи протилежний заряд. Напруга, що виникає, є значною. Заряджені таким чином краплі вимірювали до 9 000 вольт.
Дослідники поставили собі запитання: що робить цей заряд із поверхнею, на яку падає наступна крапля? Щоб це з’ясувати, команда випустила 35-мікролітрові краплі води (розміром приблизно з велику дощову краплю), що містили дрібку солі для імітації дощової води. Краплі падали на поверхню, нахилену під кутом 50 градусів. Проїхавши близько чотирьох сантиметрів, краплі набували заряду, скочувалися з краю і потім падали на п’ять міліметрів нижче на мідну пластину, покриту 60-нанометровою плівкою тефлону — одного з найстійкіших до хімічного впливу покриттів на сьогодні.
Нахилені поверхні переважно обиралися для імітації реальних дощових крапель. Однією з них був листок рослини Tradescantia spathacea, що росла в одному з кабінетів дослідників. Іншою — пінопластова плита з ПВХ з будівельного магазину. Третьою — лист прозорого полістиролу, який продається як віконне скло. Лише четверта поверхня, фтороване покриття на кварці, була скоріше лабораторною розробкою, ніж тим, що люди зазвичай бачать навколо себе. Заряди, які отримували краплі, коливалися від 0,2 нанокулона з листка до двох нанокулонів з фторованого кварцу. Нанокулон у субстанції розміром з дощову краплю відповідає кільком тисячам вольт.
Після 3 000 крапель, що приблизно відповідає другій половині дня помірного дощу, мідна пластина під усіма чотирма поверхнями зазнала корозії, незважаючи на тефлонове покриття. Атомно-силова мікроскопія зон ударів виявила ямки глибиною в кілька нанометрів, місцями глибші за товщину тефлонової плівки. Це означає, що пошкодження пройшло крізь покриття до металу. Краплі, що падали прямо на ціль без попереднього ковзання (і тому не мали заряду), залишили поверхню незайманою після тих самих 3 000 ударів.
Іскра
Науковцям вдалося зафіксувати механізм у дії за допомогою високошвидкісних камер.
На відео дослідники побачили, що нейтральна крапля, наближаючись до мідної пластини, зберігає гладку, круглу нижню частину аж до контакту. Заряджена крапля поводиться зовсім інакше. Коли вона наближається до поверхні, її нижня частина витягується у форму конуса Тейлора — гострої форми, яку приймає рідина, коли електростатична сила переважає її власну поверхневу напругу. Конус Тейлора свідчив про те, що електричне поле між краплею та металом стало достатньо сильним, щоб деформувати воду.
Сила поля має зростати зі скороченням проміжку. Щоб кількісно оцінити цей ефект, команда змоделювала краплю як провідну сферу, що висить над провідною стінкою, а потім розрахувала, як сила поля залежить від відстані. Крапля, що несе два нанокулона, досягає 60 кіловольт на міліметр — порогового значення пробою тефлону, електричного поля, за якого ізолятор припиняє ізолювати. Це відбувається, коли крапля знаходиться на відстані приблизно 10 мікрометрів від поверхні. Для полістиролового покриття, яке руйнується при 19 кіловольтах на міліметр, пробій відбувається на відстані 50 мікрометрів.
Оскільки покриття перестає бути ізолятором, коли досягається порогове значення пробою, заряд проходить крізь нього шляхом мініатюрного діелектричного пробою — того самого режиму відмови, який призводить до виходу з ладу конденсаторів та ізоляції трансформаторів. Вимірювання заряду, проведені вченими, підтверджують майже повну передачу: крапля, що прилетіла з двома нанокулонами, скинула 1,8 нанокулона на мідь при ударі і відскочила з 0,016 нанокулона — менше 1% від початкового значення.
Оскільки кількість заряду масштабується залежно від відстані ковзання краплі, а стійкість покриття — від його товщини, ефект має межу. Дванадцятимікрометрові полістиролові плівки були пробиті, тоді як 130-мікрометрові плівки витримали.
Більшість лакофарбових покриттів, які ми використовуємо, мають товщину лише кілька мікрометрів, і дослідники зазначають, що заряди нанокулонового масштабу можуть пробити більшість із них.
Пошкодження
Вчені виявили, що після пробиття покриття оголений метал опиняється в солоній краплі зі свіжим електричним потенціалом. Це дає змогу звичайній електрохімії, яка викликає корозію, вільно працювати на поверхні, від якої вона мала б бути захищена.
Дослідники ідентифікували продукти корозії на міді за допомогою раманівської спектроскопії та рентгенівської дифракції. Вони виявили оксид міді(I) та основний хлорид міді — блідо-зелену сполуку, знайому за патиною на мідних дахах. Елементне картування пошкоджених зон показало проникнення кисню та хлору, а також витікання фтору та вуглецю з тефлону — саме те, що мало б статися, якби покриття було зруйноване.
Сам полімер також хімічно перебудовується. Полістиролові плівки, пошкоджені зарядженими краплями, розвинули шорсткі ділянки, які світилися зеленим під лазером, чого не робить звичайний полістирол. Нанорозмірна інфрачервона спектроскопія простежила флуоресценцію до новоутворених подвійних зв’язків вуглець-вуглець та вуглець-кисень — ознака матеріалу, який електрично «пересмажився» до нового стану.
Команда також провела вимірювання імпедансу, щоб з’ясувати, наскільки швидко деградує захист. Після 10 000 заряджених крапель бар’єрні властивості тефлонової плівки знизилися більше, ніж після чотирьох годин безперервного занурення в солону воду — порівняння було обрано тому, що чотири години — це приблизно сумарний час вологого контакту, який забезпечують краплі.
Крім того, після початку пошкодження воно прискорюється. Пробита ділянка легше змочується, довше утримує воду і зростає. Після 50 000 крапель площа корозії перевищила міліметр у діаметрі.
Метал під покриттям
В останньому експерименті команда створила пластину, яка на дві третини складалася з кварцу, а на третину — з міді, а потім покрила все це єдиним рівномірним шаром тефлону, що забезпечував гладку поверхню.
Заряджені краплі, що ковзали по цій пластині, спричиняли корозію вздовж прихованої межі кварцу та міді. Причина в тому, що заряджена крапля реагує не на поверхню, якої торкається, а на все, що знаходиться достатньо близько, щоб постачити протилежний заряд. Над кварцом немає протилежного заряду, і поле залишається слабким. У момент, коли крапля перетинає межу і потрапляє на мідь, вільні електрони металу перебудовуються, щоб зустріти її — рівний і протилежний заряд збирається безпосередньо під покриттям, і поле між ними швидко зростає. Тефлон опиняється посередині.
Автори стверджують, що це має глибокі наслідки для композитних матеріалів загалом. У будь-якому місці, де провідний або високодіелектричний компонент вбудований в ізолюючу матрицю, ковзні заряджені краплі знайдуть його. Мости, корпуси кораблів, пофарбована сталь, полімерні корпуси зовнішньої електроніки та металеві конструкції історичних будівель — усі вони є потенційними кандидатами.
Команда зазначає у своїй статті, що заряджені краплі природно утворюються в хмарах, грозах, океанських хвилях, фонтанах і водоспадах, а також у промислових процесах, таких як електростатичне напилення та струменевий друк. Механізм, який вони описують, стверджують вони, діє скрізь, але його реально не вимірювали.
Дані статті вказують на те, що збільшення товщини захисних шарів є можливим рішенням. 130-мікрометрові полістиролові плівки залишилися неушкодженими, оскільки розподіл тієї ж напруги на десять разів більшу відстань знижує поле нижче рівня, який матеріал може витримати. Однак товщина не завжди є варіантом — оптичні плівки повинні залишатися прозорими, захисні шари на літаках мають бути легкими та гнучкими, а бар’єри на зовнішній електроніці мають тонку конструкцію за задумом. Те, що дійсно потрібно, — це покриття, яке має певну стійкість до електричного поля, а більшість наших покриттів вибираються на основі їхньої хімічної стійкості.
Дізнатися більше на: arstechnica.com