3000 капель оказалось достаточно, чтобы пробить 60-нанометровую тефлоновую пленку и запустить коррозию меди под ней. Исследование показывает, что заряженные капли дождя могут портить покрытие не только химией и механикой, но и мини-разрядами, а это уже неприятная новость для всех, кто проектирует уличную электронику, автомобили и композитные конструкции.
Работу группы Макса Планка под руководством Zhongyuan Ni, Rüdiger Berger и Hans-Jürgen Butt пересказывает Ars Technica: исследователи проверили, что происходит, когда капля воды сначала скользит по изолирующей поверхности, набирает заряд, а затем падает на металл, закрытый тонкой защитной пленкой. Идея неочевидная, но последствия вполне приземленные: дождь, похоже, умеет не только медленно разъедать поверхность, но и буквально пробивать защитный слой электрическим импульсом.
Ключевой механизм называется slide electrification, или электризация при скольжении. Когда капля проходит по изолятору, например по листу, окрашенной панели, стеклу или пластику, она снимает с поверхности заряд и уносит его с собой. В предыдущих измерениях такие капли показывали напряжение до 9000 вольт. В новой работе ученые проверили не сам факт зарядки, а ее последствия для следующей поверхности, на которую капля приземляется.
Эксперимент был устроен довольно близко к бытовой реальности, без лабораторной магии ради лабораторной магии. Капли объемом 35 микролитров, это примерно крупная дождевая капля, с небольшим количеством соли для имитации дождевой воды пускали по наклонной поверхности под углом 50 градусов. После скольжения примерно на 4 сантиметра капля срывалась с края, пролетала 5 миллиметров и попадала на медную пластину, покрытую тефлоновой пленкой толщиной 60 нанометров. В качестве исходных поверхностей взяли лист Tradescantia spathacea, ПВХ-панель из строительного магазина, прозрачный полистирол для остекления и фторированное покрытие на кварце.
Набранный заряд оказался вовсе не декоративным: от 0,2 нанокулона после скольжения по листу до 2 нанокулонов после фторированного кварца. Для капли такого размера это уже тысячи вольт. После тех самых 3000 капель, то есть примерно одного умеренного дождливого дня, медь под тефлоном начала корродировать во всех сценариях. А вот контрольная группа, где капли падали на ту же поверхность без предварительного скольжения и без заряда, не показала повреждений даже после такого же числа ударов. Это важный момент: проблема не в воде как таковой и не в чистой механике, а именно в том, что заряженные капли дождя приходят на поверхность уже подготовленными к маленькой электротехнической диверсии.
Самое интересное ученые увидели на скоростной съемке. Нейтральная капля перед контактом сохраняла обычную округлую форму. Заряженная вблизи поверхности вытягивала острый выступ снизу, так называемый конус Тейлора. Это признак того, что электростатическая сила уже начинает выигрывать у поверхностного натяжения воды. Дальше исследователи смоделировали каплю как проводящую сферу рядом с проводящей стенкой и посчитали рост поля при уменьшении зазора. Для капли с зарядом 2 нанокулона поле достигало 60 киловольт на миллиметр, а это порог электрического пробоя тефлона, еще когда до поверхности оставалось около 10 микрометров. Для полистирола, у которого порог ниже, 19 киловольт на миллиметр, пробой происходил уже примерно за 50 микрометров до касания.
Иначе говоря, защитное покрытие в некоторых случаях не изнашивается постепенно, а теряет изоляционные свойства еще до физического контакта с каплей. Дальше заряд проходит сквозь пленку по сценарию диэлектрического пробоя, знакомому инженерам по отказам конденсаторов и трансформаторной изоляции. Замеры подтвердили, что передача заряда почти полная: капля, пришедшая с 2 нанокулонами, оставляла в меди 1,8 нанокулона, а улетала с остатком 0,016 нанокулона. То есть удар получался не символический, а вполне рабочий.
После пробоя начиналась уже классическая коррозия, только с фору перед защитой. Оголенный металл оказывался в соленой воде и под свежей разностью потенциалов. На меди нашли оксид меди(I) и основной хлорид меди(II) — то самое бледно-зеленое соединение, которое хорошо знают по состаренным медным крышам. Картирование элементов показало приток кислорода и хлора в зону повреждения и вытеснение фтора и углерода из тефлона. Сам полимер тоже менялся: в полистироле после ударов появлялись шероховатые участки с зеленой флуоресценцией, а ИК-спектроскопия на наноуровне показала образование новых двойных связей углерод-углерод и углерод-кислород. Если совсем по-простому, материал не просто намок, а получил электрическую термообработку без приглашения.
Еще один неприятный вывод касается скорости деградации. После 10 000 заряженных капель барьерные свойства тефлоновой пленки упали сильнее, чем после четырех часов непрерывного погружения в соленую воду. Это сравнение исследователи выбрали не случайно: суммарное время контакта воды с поверхностью в обоих сценариях сопоставимо. Дальше включается обычный режим «сломалось чуть-чуть, а потом посыпалось»: пробитое место лучше смачивается, дольше держит влагу и быстрее растет. После 50 000 капель корродировавший участок превышал 1 миллиметр.
Для индустрии здесь важен не только автомобильный сюжет из заголовка. В финальном опыте ученые сделали пластину, где под сплошным тефлоновым слоем соседствовали кварц и медь. Снаружи поверхность была однородной, но коррозия пошла вдоль скрытой границы между материалами. Причина в том, что капля реагирует не столько на верхний слой, сколько на то, что под ним способно быстро собрать противоположный заряд. Для композитов, корпусов уличной электроники, инфраструктуры, окрашенной стали, морских конструкций и исторических металлических объектов это уже не экзотика, а новый фактор риска. Инженерам, которые привыкли считать дождь в основном химической нагрузкой, теперь придется держать в голове еще и электрическую. Вопрос уже не в том, бывает ли такой эффект, а в том, какие реальные покрытия и сборки на улице к нему наиболее уязвимы.