Автомобили, корабли, здания, скульптуры и множество других металлических конструкций приходится защищать от коррозии. Обычно считается, что вода повреждает защитные покрытия механически, а содержащиеся в ней кислоты и загрязняющие вещества ускоряют химическое разрушение. Однако ученые обнаружили еще один механизм, который раньше практически не учитывался.
Оказалось, что опасность могут представлять электрически заряженные капли воды.
Вода способна приобретать электрический заряд естественным образом — например, проходя через грозовое облако или двигаясь по некоторым поверхностям. Исследователи из Института исследований полимеров Общества Макса Планка решили проверить, может ли такой заряд влиять на коррозию металлов.
Эксперименты показали, что заряженная вода способна вызывать электрический пробой защитного покрытия. В результате в нем появляются повреждения, через которые вода получает доступ непосредственно к металлу и запускает коррозию.
Ученые провели несколько серий опытов. В одной из них капли воды сначала катились по различным поверхностям — листу растения, тонкому листу вспененного ПВХ, полистиролу и водоотталкивающему кварцу, — после чего падали на образцы меди, покрытые тефлоном или полистиролом.
В другом эксперименте вода скользила по сплошному тефлоновому покрытию, нанесенному на два соседних материала.
Исследователи измеряли заряд капель во время движения, а затем изучали повреждения после того, как по поверхности прошли или ударились о нее многие тысячи капель.
Выяснилось, что вода способна повреждать защищенные металлы не только при ударах. Для возникновения разрушений оказалось достаточно того, чтобы заряженные капли просто двигались по поверхности. Такой эффект наблюдали, в частности, на меди и золоте.
С помощью мощной микроскопии ученые рассмотрели поврежденные участки и определили продукты химических реакций, возникших в результате коррозии.
Особенно показателен контрольный опыт: когда на защищенную медь наносили электрически нейтральные капли воды, повреждений не возникало.
Лишь сравнительно недавно ученые установили, что капля воды, скользящая по поверхности, сама может приобретать электрический заряд за счет обмена зарядами с материалом — процесс в некотором отношении напоминает образование статического электричества. Новая работа показывает, к каким последствиям это может приводить.
Как только защитное покрытие оказывается пробито и металл обнажается, он становится уязвимым для коррозии. Само по себе разрушительное воздействие дождя и воды давно известно, однако теперь может потребоваться пересмотреть причины части таких повреждений.
До сих пор разрушение покрытий каплями воды в основном объясняли двумя механизмами: механическим износом при движении капель и химическим воздействием кислот и загрязняющих веществ. Теперь к ним добавляется электрический фактор.
При этом исследование пока проводилось только в лаборатории. Ученые еще не знают, насколько часто обычные дождевые капли приобретают заряд, достаточно сильный для повреждения металлических конструкций, и какую долю реальной коррозии можно объяснить этим механизмом.
Однако источников заряженных капель в природе достаточно много. Они могут возникать в облаках и грозах, возле морских волн, фонтанов и водопадов, а также при движении воды по водоотталкивающим материалам.
Подобные капли встречаются и в промышленности — например, при электростатическом распылении, струйной печати, а также в некоторых процессах химического и фармацевтического производства. Поэтому новый механизм потенциально может иметь значение как в повседневной жизни, так и на производстве.
Исследователи считают, что теперь необходимо выяснить реальный масштаб проблемы. Если удастся определить, насколько сильно заряженная вода влияет на защищенные металлы, можно будет создавать покрытия, более устойчивые к электрическому пробою.
Ученые также предполагают, что подобный механизм может действовать и на других материалах, которые в нынешних экспериментах не проверялись.
Авторы работы считают, что естественно заряженные капли способны разрушать защитные покрытия электрическим путем, тем самым запуская или усиливая коррозию металла. Результаты могут помочь улучшить методы защиты и показывают, что при разработке новых покрытий стоит учитывать не только механическое и химическое воздействие воды, но и ее электрический заряд.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
