Krople wody niszczą powłoki ochronne. Nowe odkrycie naukowców

Zespół badawczy kierowany przez profesora Hansa-Jürgena Butta z Instytutu Maxa Plancka ds. Badań nad Polimerami, we współpracy z badaczami Uniwersytetów w Bonn, Guangzhou i Moguncji oraz MIT, skupili się na analizie fizycznych właściwości kropli wody przemieszczających się po różnych powierzchniach. Okazało się, że gdy krople wody ślizgają się po liściach, czy innych materiałach, mogą gromadzić ładunek elektryczny. Związany z tarciem efekt elektrostatyczny jest powszechnie znany, jednak w przypadku kropli wody wydaje się znacznie bardziej złożony, a nie był dotychczas dostatecznie dokładnie badany.

Kluczowym etapem eksperymentów było badanie wpływu naładowanych kropli na powłoki ochronne. W tym celu badacze pokryli powierzchnię równomierną warstwą teflonu, takiego jaki stosuje się m.in. przy produkcji patelni. Następnie zrzucali na nią krople wody. Gdy krople były elektrycznie obojętne, nawet po 3 tysiącach uderzeń nie zaobserwowano pod mikroskopem na powierzchni żadnych zmian.

Sytuacja zmieniła się, gdy krople przed upadkiem na teflonową powłokę przetaczały się po różnych powierzchniach, liściach roślin, PVC czy polistyrenie. W wyniku tego procesu krople uzyskiwały ładunek elektryczny, który przy kontakcie z powłoką prowadził do mikroskopijnych wyładowań. Po 3 tysiącach takich uderzeń na powierzchni teflonu oraz pod nim pojawiły się wyraźne ślady uszkodzeń.

Jak podkreśla Zhongyuan Ni, pierwszy autor publikacji, ilość zgromadzonego przez kroplę ładunku zależy od rodzaju powierzchni, po której się przemieszcza, różnice mogą być nawet dziesięciokrotne. W każdym przypadku naukowcy obserwowali jednak zmiany w powłoce ochronnej.

Dotychczas za główne przyczyny niszczenia powłok ochronnych uznawano czynniki mechaniczne, ścieranie i odłupywanie pod wpływem uderzających kropli, a także chemiczne, związane z obecnością w wodzie kwasów lub soli. Te najnowsze badania pokazują jednak, że także zjawiska elektryczne mogą mieć istotny wpływ na trwałość powłok, prowadząc do ich punktowego uszkodzenia i przyspieszając proces korozji.

Odkrycie to ma ogromne znaczenie praktyczne. Problem dotyczy nie tylko domowych ogrodzeń czy samochodów, ale również wielkich konstrukcji inżynieryjnych, takich jak mosty czy wieże. Regularne malowanie i konserwacja tych obiektów pochłania ogromne środki finansowe i czasowe. Zrozumienie nowego mechanizmu niszczenia może przyczynić się do opracowania bardziej wytrzymałych powłok ochronnych, które skuteczniej będą chronić przed szkodliwym działaniem środowiska.

Naukowcy sugerują, że ich odkrycie powinno otworzyć drogę do dalszych badań i innowacji w dziedzinie materiałoznawstwa. Lepsze zrozumienie zjawisk fizycznych zachodzących na styku kropli wody i powierzchni powinno pomóc w tworzeniu powłok odpornych nie tylko na czynniki chemiczne i mechaniczne, ale również na mikroskopijne wyładowania elektryczne. W praktyce oznaczałoby to wydłużenie żywotności infrastruktury i obniżenie kosztów konserwacji.