Спонтанно заряженные капли пробили защитное покрытие и ускорили коррозию меди

Немецкие физики показали, что электрический заряд, который капли воды приобретают при контакте с диэлектрическими поверхностями, может способствовать коррозии металлов. В эксперименте заряженные капли насквозь пробивали тефлоновое покрытие меди и ускоряли коррозию металла под ним. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Коррозия — это самопроизвольный процесс разрушения металлов под воздействием окружающей среды. Чаще всего коррозию связывают с электрохимическими реакциями, в которых участвуют вода и кислород воздуха, однако на скорость коррозии могут влиять множество других факторов. Например, считается, что дождь для металлов особенно опасен из-за механической нагрузки, которую создают дождевые капли.

Немецкие физики под руководством Ханса-Юргена Бутта (Hans-Jürgen Butt) из Института исследований полимеров Общества Макса Планка выяснили, что причиной ускоренной коррозии может быть также электрический заряд капель воды. 

Ученые исследовали медную поверхность, покрытую защитным слоем тефлона толщиной 60 нанометров. Сначала медные заготовки наклоняли под углом десять градусов и с высоты четыре сантиметра каждые двенадцать секунд выпускали капли воды объемом 35 микролитров. Чтобы сымитировать дождевую воду, авторы взяли дистиллированную воду и добавили к ней хлорид натрия до концентрации один миллимоль на литр. Затем провели еще четыре эксперимента в таких же условиях, только капли воды сначала наносили на наклонную поверхность — лист растения, пенопласт, полистироловое стекло и широко используемое водоотталкивающее покрытие перфтороктадецилтрихлорсилан, — а затем позволяли им скатиться на исследуемый лист меди. Капли воды приобретали электрический заряд величиной от 0,2 до 2 нанокулонов.

Выпустив по три тысячи капель, Бутт и его коллеги изучили медные образцы с помощью методов атомно-силовой микроскопии (АСМ) и конфокальной микроскопии. Листы, на которые капли выпускали вертикально, никак визуально не изменились. А вот на листах, на которые стряхивали заряженные капли, АСМ показала дыркообразные дефекты. Не помог и защитный слой: некоторые дефекты проходили через него насквозь и достигали медной подложки. Рамановская спектроскопия показала, что на поверхности меди образуются продукты коррозии — оксид меди (I) и основный хлорид меди.

Авторы предложили следующее объяснение. При приближении заряженной капли к металлической подложке в меди (проводнике) возникал заряд противоположного знака. В результате между каплей и металлом появлялось локальное электрическое поле. Когда напряженность поля становилась достаточно большой, происходил электрический пробой тефлона (диэлектрика): заряд капли разряжался через него на медь. Разряд при этом локально повреждал слой тефлона, а образовавшийся дефект открывал воде доступ к металлу и запускал коррозию.  

Таким образом, потенциально опасными для металлических поверхностей могут оказаться не только дождевые капли, но и капли воды, которые контактируют с самыми обычными поверхностями — от строительных материалов до листьев растений. Авторы предполагают, что описанный механизм может вносить вклад в разрушение защитных покрытий и коррозию металлических конструкций в окружающей среде.

Больше о причинах коррозии металлов и способах защиты от нее можно узнать из нашего материала «За нами не заржавеет».