Обычная капля воды, скользнувшая по листу, пластику или стеклу, способна накопить электрический потенциал свыше 1 кВ и при приближении к защищенному металлу вызвать локальный электрический пробой покрытия. Серия таких микроскопических разрядов повреждает изоляционный слой и открывает путь коррозии, показали авторы нового исследования. Ранее разрушение покрытий под дождем связывали главным образом с механическим износом и химическим воздействием воды.
Речь не идет о молнии в привычном смысле. Заряд отдельной капли очень мал, однако при приближении к металлической поверхности электрическое поле концентрируется в крошечном промежутке и может превысить электрическую прочность защитного слоя. Возникающий кратковременный разряд по механизму напоминает миниатюрный электрический пробой.
В экспериментах использовали капли объемом 35 микролитров с небольшим количеством соли. Перед попаданием на медь с тефлоновым покрытием вода скользила примерно четыре сантиметра по нескольким изолирующим поверхностям, включая лист растения, поливинилхлорид, полистирол и водоотталкивающее покрытие. За время движения капли набирали заряд примерно от 0,2 до 2 нанокулонов.
После 3000 заряженных капель исследователи обнаружили в защитном слое отверстия и повреждения расположенной под ним меди. Контрольный образец, на который упало столько же электрически нейтральных капель, заметных изменений не показал. Разница позволила связать повреждение не только с самим ударом воды, но и с накопленным электрическим зарядом.
Измерения показали, куда исчезает заряд в момент контакта. Капля после скольжения по одной из поверхностей несла около 2 нанокулонов, при ударе примерно 1,8 нанокулона переходили в металлическую подложку. В покинувшей образец воде оставалось около 0,016 нанокулона. Основной обмен зарядом происходил непосредственно при столкновении.
Высокоскоростная камера зафиксировала еще один признак сильного электрического поля. Нижняя часть заряженной капли перед соприкосновением вытягивалась и образовывала конус, тогда как нейтральная вода сохраняла округлую форму. Подобная деформация возникает, когда электростатические силы начинают преодолевать поверхностное натяжение жидкости.
Расчеты показали, что капля с зарядом порядка нескольких нанокулонов может пробить тефлоновый слой толщиной примерно до 10 микрометров или полистирольный слой толщиной до 50 микрометров. Сам разряд повреждает микроскопическую область, но повторные попадания постепенно увеличивают дефекты. Когда металл оказывается открыт воде, запускается уже обычная электрохимическая коррозия.
Эффект оказался характерен не только для тонкого тефлона на меди. Авторы наблюдали похожие повреждения у полистирольных покрытий разной толщины, а также на образцах с медью, золотом и оксидными изолирующими слоями. Дополнительные опыты проводили с разными солевыми растворами, деионизированной водой и естественной дождевой водой.
Капле при этом необязательно падать сверху. Исследователи создали поверхность с одинаковым внешним покрытием, под которым находились участки кварца и меди. Вода заряжалась во время скольжения, а повреждение после нескольких тысяч проходов появлялось возле скрытой границы материалов, где условия для электрического разряда становились благоприятнее.
Способность движущейся воды электризоваться известна давно. При контакте и последующем отделении воды от твердой поверхности происходит разделение зарядов, похожее на электризацию твердых материалов при трении. В зависимости от материалов и геометрии потенциал капли может достигать нескольких тысяч вольт, хотя запасенная энергия остается небольшой.
Новый механизм расширяет представление о том, как вода разрушает защитные покрытия. Заряженные капли естественным образом возникают при дожде, движении воды по гидрофобным поверхностям, в облаках, морских брызгах, водопадах и фонтанах. Аналогичные условия встречаются и в технологических процессах, включая электростатическое распыление и струйную печать.
Авторы предполагают, что электрические разряды капель могут ускорять износ покрытий на зданиях, автомобилях, судах и других металлических конструкциях. Однако исследование не позволяет определить, какую долю реальной коррозии в окружающей среде вызывает именно электризация воды. Лабораторный результат пока показывает существование дополнительного механизма повреждения, который разработчикам защитных материалов стоит учитывать наряду с механической нагрузкой и химическим воздействием.