Электрические разряды в каплях дождя повреждают краску: учёные нашли новый механизм разрушения покрытий

Краска, подвергаемая воздействию погодных условий, со временем разрушается. Забор в саду может потребовать свежего слоя краски через несколько лет, а такие крупные сооружения, как Эйфелева башня и мост Золотые Ворота, требуют регулярной переокраски для поддержания защитных покрытий в хорошем состоянии.

Два известных механизма износа

Учёные традиционно объясняли такую деградацию двумя основными процессами. Первый — механический стресс, когда повторяющийся контакт с капельками воды создаёт трение, которое медленно стирает покрытие или вызывает его отслаивание. Второй — химическое повреждение, особенно когда вода содержит вещества, такие как кислоты или соли.

Третий механизм: электрический заряд

Исследователи, возглавляемые Хансом-Йюргеном Буттом, директором Max Planck Institute for Polymer Research, в сотрудничестве с учёными из Боннского университета, South China University of Technology, MIT и Университета имени Йоханнеса Гутенберга Майнца, выявили дополнительный механизм, который до сих пор оставался в тени: электрический заряд, переносимый каплями воды.

Рюдигер Бергер, руководитель группы в отделе Physics at Interfaces, объясняет: когда заряженные капли ударяются о покрытие, они разряжаются локально и могут пробить слой в определённых точках, как маленькая молния. Капля может накопить электрический заряд, скользя по поверхности, а при ударе о защитное покрытие этот заряд может внезапно разрядиться в точке удара, потенциально повредив материал.

Эксперимент с тефлоном

Для проверки масштаба вреда от этих микроскопических электрических событий исследователи начали с поверхности, равномерно покрытой тефлоном, материалом, известным своим применением на сковородках.

Они многократно капали незаряженные капли воды на тефлон. Даже после 3000 ударов микроскопическое исследование не выявило видимых изменений в покрытии.

Затем команда изменила эксперимент, позволив каплям скатываться по обычным материалам перед ударом о тефлон. Это включало лист комнатного растения, ПВХ и полистирол, такой как тот, что используется в пластиковых окнах.

По мере движения воды по этим материалам капли накапливали электрический заряд. Затем заряженные капли падали на поверхность тефлона.

Результаты: видимые повреждения

На этот раз результат был совершенно иным. После 3000 ударов микроскопическое исследование выявило чёткие изменения как в защитной поверхности, так и в металле под ней.

Количество электрического заряда, накопленного каплей, сильно зависело от материала, по которому она скатывалась. Первый автор исследования Чжунюань Ни отмечает: заряд, который приобретает капля при скольжении, сильно зависит от конкретной поверхности — различия составили до десятикратного увеличения. Несмотря на эти большие различия в заряде, во всех экспериментах с заряженными каплями удалось обнаружить изменения в покрытии.

Значение для защиты покрытий

Полученные результаты раскрывают упущенный из виду способ, которым вода способствует постепенной деградации защитных поверхностей. Наряду с трением и химическими реакциями крошечные электрические разряды от заряженных капель также могут играть роль в разрушении покрытий с течением времени.

Исследование опубликовано в журнале Nature. Учёные надеются, что это открытие поможет разработать более эффективные и долговечные покрытия, которые могут улучшить защиту объектов культурного наследия, автомобилей, крупных сооружений и даже обычных садовых заборов.