قطرات المطر صواعق صغيرة، وهي تسبب تآكل السيارات، دراسة تكشف

لعقود، ألقينا اللوم في القوة التآكلية للمطر على الأملاح الذائبة والأحماض والقرع المتواصل الذي يزيل الطلاءات الواقية. صُممت الدهانات والأغشية البوليمرية وطبقات الأكسيد لمقاومة الهجوم الكيميائي. ولكن كما اتضح، كانت قطرات المطر تخفي سرًا صادمًا: فهي تصل حاملة شحنة كهربائية قوية بما يكفي لثقب طبقة عازلة - ليس عن طريق الخدش أو الذوبان، بل عن طريق تفجير ثقب صغير فيها حرفيًا، مثل شرارة تقفز عبر فجوة.

كشفت دراسة جديدة بقيادة تشونغ يوان ني، وروديغر بيرغر، وهانس يورغن بوت في معهد ماكس بلانك لأبحاث البوليمرات في ماينز بألمانيا، عن هذه الظاهرة المكهربة. الجاني هو ما يسمى بـ"الكهربة الانزلاقية"، وهي عملية تم قياسها مؤخرًا فقط. عندما تنزلق قطرة ماء على سطح عازل - مثل ورقة شجر، أو جدار مطلي، أو زجاج نافذة، أو لوح بلاستيكي - فإنها تسحب الشحنة من ذلك السطح وتترك شحنة معاكسة خلفها. هذه الشحنات ليست تافهة: فقد تم قياس قطرات بجهد يصل إلى 9000 فولت.

أراد الفريق معرفة ما يحدث عندما تهبط مثل هذه القطرة المشحونة على سطح. أطلقوا قطرات بحجم 35 ميكرولتر - بحجم قطرة مطر كبيرة تقريبًا - مع قليل من الملح لمحاكاة مياه الأمطار، على سطح مائل بزاوية 50 درجة. انزلقت القطرات حوالي أربعة سنتيمترات، والتقطت شحنة، وتدحرجت من الحافة، وسقطت خمسة ملليمترات على لوح نحاسي مطلي بغشاء تفلون بسمك 60 نانومتر، وهو أحد أكثر الطلاءات مقاومة كيميائيًا. تضمنت الأسطح المائلة ورقة من نبات Tradescantia spathacea، ولوح رغوة PVC، وصفائح بوليسترين شفافة - أسطح حقيقية قد تصادفها قطرة المطر.

تراوحت الشحنات الملتقطة من 0.2 نانوكولوم من الورقة إلى 2 نانوكولوم من الكوارتز المفلور. نانوكولوم واحد في قطرة مطر يترجم إلى بضعة آلاف من الفولتات. بعد 3000 قطرة - ما يعادل تقريبًا بعد ظهر من المطر المعتدل - كان لوح النحاس تحت جميع الأسطح الأربعة قد تآكل، على الرغم من طلاء التفلون. كشف الفحص المجهري للقوة الذرية عن حفر بعمق عدة نانومترات، أعمق من غشاء التفلون بأكمله، مخترقة تمامًا حتى المعدن. القطرات التي سقطت مباشرة دون انزلاق (وبالتالي لم تحمل شحنة) تركت السطح بحالة نقية بعد نفس 3000 تأثير.

التقطت كاميرات عالية السرعة الآلية أثناء العمل. تحافظ القطرة المحايدة على قاع مستدير ناعم حتى التلامس، لكن الجزء السفلي من القطرة المشحونة يتمدد إلى مخروط تايلور - وهو شكل حاد يتشكل عندما تتغلب القوة الكهروستاتيكية على التوتر السطحي. أشار هذا إلى أن المجال الكهربائي بين القطرة والمعدن أصبح قويًا بما يكفي لتشويه الماء. من خلال نمذجة القطرة ككرة موصلة تحوم فوق جدار موصل، حسب الفريق أن قطرة تحمل 2 نانوكولوم تصل إلى 60 كيلوفولت لكل ملليمتر - عتبة انهيار التفلون - بينما لا تزال على بعد حوالي 10 ميكرومتر من السطح. بالنسبة للبوليسترين، الذي ينهار عند 19 كيلوفولت لكل ملليمتر، يحدث الانهيار على بعد 50 ميكرومتر.

عندما يتوقف الطلاء عن العزل، تخترق الشحنة من خلاله في انهيار عازل مصغر، وهو نفس وضع الفشل الذي يقتل المكثفات. نقل الشحنة شبه كامل: قطرة تصل بشحنة 2 نانوكولوم أفرغت 1.8 في النحاس وارتدت بشحنة 0.016 نانوكولوم فقط، أي أقل من 1٪ مما بدأت به.

هذا التأثير له حدود. تم ثقب أغشية البوليسترين بسمك 12 ميكرومتر، لكن الأغشية بسمك 130 ميكرومتر نجت. ومع ذلك، فإن معظم طلاءات الدهان يبلغ سمكها بضعة ميكرومترات فقط، ويمكن للشحنات بمقياس نانوكولوم أن تخترق معظمها. بمجرد اختراقها، يجلس المعدن المكشوف في قطرة مالحة مع إمكانات كهربائية جديدة، مما يسمح بالكهروكيمياء العادية لتآكل السطح الذي كان من المفترض أن يكون محميًا.

حدد الفريق منتجات التآكل باستخدام مطيافية رامان وحيود الأشعة السينية: أكسيد النحاسوز وكلوريد النحاسيك الأساسي - المركب الأخضر الباهت الذي يظهر على أسطح النحاس المتآكلة. أظهر رسم الخرائط العنصري تدفق الأكسجين والكلور، بينما تلاشى الفلور والكربون