Капля воды против автомобиля: ученые выяснили, как возникает ржавчина

Защитное покрытие на капоте автомобиля призвано уберечь металл от воды и ржавчины. Но, как выяснили физики, сама вода может сыграть против этой защиты. Капля, скользящая по изолирующей поверхности, способна накопить электрический заряд, которого достаточно, чтобы разрушить тонкий защитный слой и запустить коррозию металла под ним.

Коррозия постоянно угрожает металлическим конструкциям и предметам — от мостов до консервных банок. Поэтому рынок защитных покрытий от ржавчины оценивается в десятки миллиардов долларов в год. Обычно такие покрытия представляют собой тонкий слой пластика или полимера, который не позволяет воде контактировать с металлом. Особенно опасна вода, содержащая соль или кислоты.

Однако, как показали Цзунъюань Ни (Zhongyuan Ni), Ханс-Юрген Бутт (Hans-Jürgen Butt) из Института исследований полимеров Общества Макса Планка и их коллеги, даже обычное статическое электричество способно нарушить эту защиту. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Капля воды накапливает заряд

Физики выпускали из шприца капли слегка соленой воды на медную поверхность, покрытую 60-нанометровым слоем тефлона — прочного полимера. Если капля падала прямо на поверхность, она просто скатывалась и не причиняла заметного вреда.

Но ситуация менялась, если перед этим вода стекала по наклонной изолирующей поверхности. После нескольких тысяч капель на защищенной меди появлялись участки коррозии. Причем для этого было достаточно, чтобы капля перед падением проскользила всего несколько сантиметров по оконному стеклу, пластиковому строительному материалу или даже листу комнатного растения.

Другой эксперимент показал, что аналогичный эффект возникает и с покрытием из полистирола.

С помощью атомно-силового микроскопа ученые обнаружили, что некоторые повреждения проникают непосредственно в медь. Флуоресцентная микроскопия подтвердила: на открывшихся участках металл вступал в реакцию с водой и начинал разрушаться.

Все дело в статическом электричестве

В начале эксперимента капли не имели электрического заряда. Но во время движения по поверхности они могли накопить заряд до 2 нанокулонов.

Расчеты показали, что, когда такая капля приближается к поверхности на расстояние около 10 микрометров, ее заряд создает достаточно сильное электрическое поле, чтобы разрушить тефлон или полистирол. После этого вода получает доступ к металлу и запускает коррозию.

По словам Бутта, этот эффект мог долго оставаться незамеченным отчасти потому, что лишь недавно ученые выяснили: жидкая капля действительно способна накапливать электрический заряд при движении по поверхности.

Инженеры также могли не учитывать такой механизм, поскольку обычно используют защитные покрытия толщиной около 100 микрометров — намного больше тех слоев, которые способен повредить подобный заряд. Кроме того, в покрытия нередко добавляют проводящие слои, препятствующие накоплению статического электричества и пыли. Они одновременно блокируют и обнаруженный учеными эффект.

Чем тоньше покрытие, тем выше риск

Физикохимик Джунву Пак (Junwoo Park) из Университета Соган отмечает, что промышленность фактически все это время работала в безопасной зоне, сама того не зная. Однако защитные покрытия становятся тоньше, и это может изменить ситуацию.

Когда покрытие выходит из строя, специалисты обычно ищут привычные причины: микроскопические отверстия, механические повреждения или проникновение влаги. Электростатический пробой до сих пор просто не входил в список возможных объяснений.

Ни считает, что новый механизм со временем может оказаться важным даже для современных покрытий. Они постепенно изнашиваются и становятся тоньше, а значит, могут оказаться более уязвимыми для воздействия электрического заряда.

Физик Сид Нагель (Sid Nagel), который сам не раз сталкивался с неожиданными свойствами привычных явлений, считает, что ученые иногда просто не замечают подобных эффектов. Например, ранее он обнаружил, что капли, ударяющиеся о поверхность в вакууме, не разбрызгиваются.

По его словам, экспериментаторы часто сосредоточены на проверке теоретических предположений или поиске новых технологических возможностей и потому могут упускать странности, которые происходят прямо перед ними.

На коррозию жалуются даже жильцы элитного небоскреба в Нью-Йорке.