Капли воды могут повреждать краску микроскопическими электрическими разрядами

Вода разрушает защитные покрытия не только из-за механического воздействия и содержащихся в ней химических веществ. Учёные обнаружили ещё один механизм: капли могут накапливать электрический заряд, а при столкновении с окрашенной поверхностью создавать локальный разряд, напоминающий крошечную молнию. Со временем такие разряды способны повреждать не только защитный слой, но и находящийся под ним металл. Открытие может помочь в разработке более долговечных покрытий для автомобилей, мостов, зданий, судов и объектов культурного наследия. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature. [Сообщение Института исследований полимеров имени Макса Планка]

Почему вода постепенно разрушает краску

Любое покрытие, постоянно находящееся под открытым небом, со временем изнашивается. Садовые ограды приходится периодически перекрашивать, а защитные слои крупных сооружений, включая Эйфелеву башню и мост Золотые Ворота, необходимо регулярно обновлять. Ранее постепенное повреждение краски под воздействием воды объясняли преимущественно двумя процессами. Первый связан с механической нагрузкой: многократные удары и движение капель создают напряжение, которое способствует появлению дефектов и отслоению покрытия. Второй механизм имеет химическую природу. В воде могут находиться соли, кислоты и другие вещества, ускоряющие разрушение материалов и коррозию металла. Теперь исследователи добавили к этому списку ещё один фактор — электрический заряд, который возникает при движении капель по некоторым поверхностям.

Как капля превращается в источник разряда

Вода может электризоваться при скольжении или перекатывании по твёрдому материалу. Это явление напоминает статическое электричество, возникающее при трении различных предметов, хотя физические процессы на границе воды и поверхности значительно сложнее. Во время движения часть электрических зарядов разделяется. В результате капля, которая первоначально была нейтральной, приобретает заряд, а на поверхности остаётся заряд противоположного знака. В отдельных условиях напряжение в таких системах может достигать значительных величин.

Когда заряженная капля затем попадает на защитное покрытие, происходит локальный электрический разряд. Он способен пробить материал в небольшой точке, подобно миниатюрной вспышке молнии. Один такой разряд почти незаметен, но многочисленные повторения могут постепенно создавать дефекты и открывать путь для коррозии. Исследование возглавил директор Института исследований полимеров имени Макса Планка Ханс-Юрген Бутт. В работе также участвовали специалисты университетов Бонна, Дармштадта и Майнца, Южно-Китайского технологического университета и Массачусетского технологического института.

Эксперимент с тремя тысячами капель

Чтобы проверить влияние электрического заряда, учёные использовали металлическую поверхность с равномерным тефлоновым покрытием. Сначала на неё последовательно сбросили 3000 незаряженных капель воды. После завершения эксперимента поверхность изучили под микроскопом. Исследователи не обнаружили заметных изменений ни в самом покрытии, ни в расположенном под ним металле. Затем условия изменили. Прежде чем попасть на тефлон, капли перекатывались по различным повседневным материалам: листу комнатного растения, поливинилхлориду и полистиролу, который применяется, например, при производстве пластиковых окон.

Во время движения капли приобретали электрический заряд, после чего падали на исследуемое покрытие. Результат оказался совершенно другим: после 3000 ударов микроскоп показал отчётливые изменения как в защитном слое, так и в металле под ним. Это позволило учёным сделать вывод, что причиной повреждений было не обычное механическое воздействие воды, а электрические разряды заряженных капель.

Материал поверхности влияет на величину заряда

Количество электричества, которое накапливала капля, зависело от материала, по которому она двигалась. В некоторых экспериментах измеренные значения отличались примерно в десять раз. Несмотря на эту разницу, заряженные капли во всех испытаниях оставляли заметные изменения на покрытии. Это говорит о том, что данный механизм может проявляться в различных условиях, хотя скорость и степень разрушения будут зависеть от типа поверхности, состава покрытия, количества капель и окружающей среды.

Открытие не означает, что любой дождь быстро испортит автомобиль или металлическую конструкцию. В природе на долговечность краски одновременно влияют солнечное излучение, температура, влажность, соли, загрязнения, механический износ и качество самого покрытия. Электрические разряды капель могут быть ещё одной частью этого сложного процесса.

Новое направление в создании защитных покрытий

Теперь исследователям предстоит определить, насколько большой вклад электрически заряженные капли вносят в разрушение различных материалов в реальных условиях. Полученные данные могут изменить методы испытания красок и антикоррозионных покрытий. При разработке новых составов потребуется учитывать не только их устойчивость к воде, трению и химическим веществам, но и способность выдерживать многочисленные микроскопические электрические разряды. В перспективе это поможет создавать покрытия, которые дольше защищают автомобили, корабли, фасады зданий, мосты и памятники. Даже небольшое увеличение срока их службы позволит реже проводить покраску и ремонт, сокращая расходы материалов, времени и средств.

• Умные часы завышают расход калорий: учёные проверили четыре популярные модели
• Учёные обнаружили, что сверхтонкие алмазные мембраны способны вырабатывать электричество
• Учёные разработали жевательную резинку, которая может снижать уровень HPV и опасных бактерий во рту
• Ученые расплавили алмаз при давлении выше, чем в недрах Нептуна
• Учёные превратили спутники Starlink в гигантский сканер верхних слоёв атмосферы
• Новый катализатор позволит сократить расход платины в водородных топливных элементах на 75%
• Управляемые микротрещины помогли создать сверхмалые пиксели из квантовых точек
• Сверхбыстрые рентгеновские импульсы позволили увидеть химические реакции на уровне отдельных атомов