Ученые выяснили, что дождь может повреждать краску крошечными электрическими «молниями»
Заряженные капли дождя могут повреждать лакокрасочное покрытие посредством крошечных электрических разрядов, действующих подобно микроскопическим молниям.
Погодные условия постепенно разрушают окрашенные и покрытые защитным слоем поверхности; в этом на собственном опыте убеждался любой, кому приходилось перекрашивать забор. Та же проблема затрагивает и гораздо более крупные сооружения. Такие достопримечательности, как Эйфелева башня и мост «Золотые Ворота», требуют регулярного перекрашивания и технического обслуживания для поддержания целостности защитных покрытий.
Традиционно ученые связывали подобное разрушение с двумя основными процессами. Первый — это механическое воздействие: повторяющиеся удары и трение капель постепенно ослабляют покрытие или приводят к отслоению его фрагментов. Второй — химическое повреждение, особенно если вода содержит агрессивные вещества, такие как кислоты или соли.
Скрытый источник электрического повреждения
Теперь исследователи выявили еще один фактор, способствующий разрушению покрытия: электрический заряд, который несут капли воды.
Работу возглавил Ханс-Юрген Батт, директор Института исследования полимеров Общества Макса Планка, совместно с учеными из Боннского университета, Южно-Китайского технологического университета, Массачусетского технологического института (MIT) и Университета имени Иоганна Гутенберга в Майнце.
«Несколько лет назад мы изучали физические механизмы возникновения заряда в каплях воды при их скольжении по поверхностям. Это своего рода "электризация трением" внутри капель; физически этот процесс гораздо сложнее, чем предполагалось ранее, — говорит Рюдигер Бергер, руководитель группы в отделе "Физика межфазных взаимодействий". — Когда такие заряженные капли ударяются о покрытие, происходит локальный разряд, способный пробить слой в определенных точках — подобно крошечной молнии, — что сказывается на долговечности покрытия».
Иными словами, капли могут приобретать электрический заряд при движении по определенным материалам. При последующем ударе о поверхность с покрытием этот заряд может высвобождаться в очень малой точке, вызывая локальное электрическое повреждение.
Испытания с тысячами капель воды
Для проверки этого эффекта исследователи сначала направляли капли на поверхность, равномерно покрытую тефлоном — материалом, широко известным благодаря использованию в производстве сковород.
Если капли не имели электрического заряда, то даже после 3000 ударов под микроскопом не наблюдалось никаких видимых изменений покрытия.
Затем ученые изменили условия эксперимента: перед попаданием на тефлоновую поверхность капли должны были скатываться по обычным материалам. В их число входили лист комнатного растения, ПВХ и полистирол (материал, используемый, например, в пластиковых окнах).
При движении по этим поверхностям капли накапливали электрический заряд. Затем им позволяли падать на тефлоновое покрытие.
После того как поверхность приняла на себя удар 3000 заряженных капель, микроскопический анализ выявил явные изменения как в самом покрытии, так и в металле под ним.
Разные поверхности — разные заряды
Величина заряда, накапливаемого каплей, существенно различалась в зависимости от материала, по которому она перемещалась.
«Заряд, который приобретает капля при скольжении, сильно зависит от конкретной поверхности: мы фиксировали различия, достигающие десятикратной величины, — поясняет Чжунъюань Ни, ведущий автор исследования. — Несмотря на это, во всех экспериментах нам удавалось обнаружить изменения в покрытии».
Полученные результаты указывают на то, что электрические эффекты, возникающие при движении воды, могут быть еще одним важным элементом в понимании того, как со временем разрушаются защитные покрытия.
На пути к созданию более долговечных защитных покрытий
Исследователи надеются, что результаты работы, опубликованные в журнале Nature, со временем помогут инженерам разработать покрытия, более устойчивые к этому недавно выявленному типу повреждений.
Такие усовершенствования могут найти применение в самых разных сферах: от объектов культурного наследия и крупных инфраструктурных сооружений до автомобилей и обычных окрашенных поверхностей в быту — включая даже привычный садовый забор.
