Капли дождя падают на нашу кожу, на крыши домов, на машины, на листья. Мы привыкли думать, что их главная опасность — вода и соли, которые она несёт. Но группа учёных из Института полимерных исследований Макса Планка в Майнце обнаружила нечто, что меняет представление о том, как дождь разрушает поверхности. Оказывается, капли дождя несут электрический заряд. Иногда — до нескольких тысяч вольт. И этот заряд пробивает защитные покрытия, как микроскопическая молния.
Как капли заряжаются
Явление называется «скользящей электризацией». Когда капля воды скользит по изолирующей поверхности — листу растения, крашеной стене, оконному стеклу или пластиковой панели — она снимает с него заряд и уносит его с собой. Напряжение, которое при этом накапливается, может достигать девяти тысяч вольт. Это не теория — это измеренные значения.
Исследователи провели эксперимент: они выпускали капли объёмом 35 микролитров — примерно как крупная дождевая капля — на наклонную поверхность под углом 50 градусов. Капли скользили по четырём разным поверхностям: листу комнатного растения, листу ПВХ, полистирольной панели и фторированному кварцу. Затем капли падали на медную пластину, покрытую тонкой плёнкой тефлона — одного из самых химически стойких материалов. Толщина плёнки была всего 60 нанометров.
После трёх тысяч падений — примерно столько же, сколько выпадает за умеренный дождь — медь под тефлоном оказалась повреждена. Атомно-силовая микроскопия показала ямки глубиной в несколько нанометров, местами больше толщины самого тефлона. Повреждения проходили насквозь, прямо в металл. Капли, которые падали без предварительного скольжения и не несли заряда, не оставили следов.
Как это работает
Учёные засняли процесс высокоскоростной камерой. Обычная нейтральная капля, приближаясь к поверхности, сохраняет округлую форму. Заряженная капля ведёт себя иначе. За несколько микрометров до контакта её нижняя часть вытягивается в конус — так называемый конус Тейлора. Это происходит, когда электростатическая сила становится сильнее поверхностного натяжения воды. Электрическое поле между каплей и поверхностью растёт по мере сближения. Моделирование показало: при заряде в два нанокулона поле достигает 60 киловольт на миллиметр — это порог пробоя тефлона. Капля пробивает покрытие, как искра пробивает воздух. Весь заряд уходит в металл — капля теряет 99 процентов своего заряда при ударе.
Что происходит с покрытием
Как только покрытие пробито, открытый металл оказывается в солёной капле с электрическим потенциалом. Обычная электрохимическая коррозия получает доступ к поверхности, которую она не должна была достигать. На меди образовались оксид меди и основной хлорид меди — тот самый бледно-зелёный налёт, который можно увидеть на старых медных крышах. Элементный анализ показал, что кислород и хлор проникли в зону повреждения, а фтор и углерод из тефлона — вышли.
Но и сам полимер меняется. Полистирольные плёнки, подвергшиеся ударам заряженных капель, покрывались шероховатыми пятнами, которые светились зелёным под лазером — обычный полистирол так не делает. Инфракрасная спектроскопия показала, что материал электрически «переварился» в нечто новое.
Импедансные измерения показали: после 10 тысяч заряженных капель защитные свойства тефлона ухудшились сильнее, чем после четырёх часов непрерывного погружения в солёную воду. При этом четыре часа — это примерно общее время контакта капель с поверхностью за тот же период. Разрушение ускоряется само по себе — повреждённое место легче смачивается, дольше держит воду и растёт. После 50 тысяч капель корродированное пятно превышало миллиметр в диаметре.
Что это значит для нас
Большинство лакокрасочных покрытий, которые мы используем, имеют толщину всего несколько микрометров. Исследователи отмечают, что заряды порядка нанокулона способны пробить большинство из них. Мосты, корпуса кораблей, окрашенная сталь, пластиковые корпуса уличной электроники, металлические элементы исторических зданий — все они уязвимы.
Учёные предлагают решение: более толстые покрытия. Плёнки толщиной 130 микрометров выдержали удары. Но не везде можно сделать покрытие толще — оптические плёнки должны оставаться прозрачными, покрытия на самолётах — лёгкими и гибкими. Нужны материалы, рассчитанные не только на химическую стойкость, но и на способность выдерживать электрическое поле. Дождь, как выяснилось, бьёт не только водой. Он бьёт электричеством. И мы только начинаем это замечать.
