수십 년 동안, 우리는 빗물의 부식력을 용해된 염분, 산, 그리고 보호 코팅을 닳게 하는 끊임없는 두드림 탓으로 돌려왔다. 페인트, 폴리머 필름, 산화물 층은 모두 화학적 공격에 저항하도록 설계되었다. 그러나 알고 보니, 빗방울은 충격적인 비밀을 숨기고 있었다: 그것들은 절연 코팅에 구멍을 뚫을 만큼 강한 전하를 띠고 도착한다는 것이다. 긁거나 녹이는 것이 아니라, 말 그대로 스파크가 간격을 뛰어넘는 것처럼, 작은 구멍을 폭발적으로 뚫는 것이다.

독일 마인츠에 있는 막스 플랑크 폴리머 연구소의 Zhongyuan Ni, Rüdiger Berger, Hans-Jürgen Butt가 이끄는 새로운 연구가 이 전기적인 현상을 밝혀냈다. 범인은 '슬라이드 대전'이라고 불리는 것으로, 최근에야 정량화된 과정이다. 물방울이 잎사귀, 페인트 칠한 벽, 창유리, 플라스틱 패널 같은 절연 표면을 미끄러질 때, 그것은 그 표면에서 전하를 빼앗아 반대 전하를 남긴다. 이 전하들은 사소하지 않다: 방울은 최대 9,000볼트까지 측정되었다.

연구팀은 그런 대전된 방울이 표면에 떨어질 때 무슨 일이 일어나는지 알고 싶어 했다. 그들은 빗물을 모방하기 위해 소금을 약간 넣은 35마이크로리터 방울(큰 빗방울 정도의 크기)을 50도로 기울인 표면에 떨어뜨렸다. 방울은 약 4센티미터를 미끄러지며 전하를 얻은 다음, 가장자리를 굴러 떨어져 5밀리미터 아래에 있는, 가장 화학적으로 저항성이 있는 코팅 중 하나인 60나노미터 테플론 필름으로 코팅된 구리 판 위에 떨어졌다. 기울어진 표면에는 Tradescantia spathacea 식물의 잎, PVC 폼 보드, 투명 폴리스티렌 시트가 포함되어 있었다. 이는 빗방울이 실제로 만날 수 있는 표면들이다.

얻은 전하는 잎에서 0.2나노쿨롱에서 불소 처리된 석영에서 2나노쿨롱까지 다양했다. 빗방울 속의 나노쿨롱은 수천 볼트에 해당한다. 3,000번의 방울(대략 오후의 보통 비) 후에, 네 표면 아래의 구리 판은 테플론 코팅에도 불구하고 모두 부식되었다. 원자간력 현미경은 테플론 필름 전체보다 깊은, 몇 나노미터 깊이의 움푹 패인 곳을 보여주었고, 금속까지 완전히 관통했다. 미끄러지지 않고 직접 떨어진 방울(따라서 전하를 띠지 않은)은 같은 3,000번의 충격 후에 표면을 원래대로 깨끗하게 남겼다.

고속 카메라가 그 메커니즘을 포착했다. 중성 방울은 접촉할 때까지 매끄럽고 둥근 바닥을 유지하지만, 대전된 방울의 아래쪽은 테일러 콘(Taylor cone)으로 늘어난다. 이는 정전기력이 표면 장력을 압도할 때 형성되는 날카로운 모양이다. 이것은 방울과 금속 사이의 전기장이 물을 변형시킬 만큼 강해졌음을 나타낸다. 방울을 전도성 벽 위에 떠 있는 전도성 구체로 모델링하여, 연구팀은 2나노쿨롱을 띤 방울이 표면에서 약 10마이크로미터 떨어져 있을 때 테플론의 절연 파괴 한계인 60킬로볼트/밀리미터에 도달한다고 계산했다. 19킬로볼트/밀리미터에서 파괴되는 폴리스티렌의 경우, 파괴는 50마이크로미터 떨어진 곳에서 발생한다.

코팅이 절연을 멈추면, 전하는 축전기를 죽이는 것과 같은 미니어처 유전체 파괴로 찢어져 나간다. 전하 전달은 거의 완전하다: 2나노쿨롱으로 도착한 방울은 1.8을 구리에 던지고 0.016나노쿨롱만 가지고 튀어 나갔으며, 이는 시작할 때의 1% 미만이다.

이 효과에는 한계가 있다. 12마이크로미터 폴리스티렌 필름은 뚫렸지만, 130마이크로미터 필름은 살아남았다. 그러나 대부분의 페인트 코팅은 두께가 몇 마이크로미터에 불과하며, 나노쿨롱 규모의 전하는 대부분을 뚫을 수 있다. 일단 뚫리면, 노출된 금속은 신선한 전위를 가진 짠 방울 속에 놓이게 되어, 보호되어야 할 표면을 부식시키는 일반적인 전기화학이 일어날 수 있다.

연구팀은 라만 분광법과 X선 회절을 사용하여 부식 생성물을 확인했다: 산화구리(I)와 염기성 염화구리(II) - 오래된 구리 지붕에서 보이는 옅은 녹색 화합물. 원소 매핑은 산소와 염소가 밀려들어오는 반면, 불소와 탄소는 고갈되는 것을 보여주었다. 연구팀은 또한 부식이 코팅의 결함이나 긁힌 자국에서 시작되는 것이 아니라, 전하가 축적되는 곳 어디에서나 시작될 수 있음을 발견했다. 이는 자동차, 교량, 지붕의 부식을 방지하는 새로운 방법을 제시한다: 표면을 더 전도성 있게 만들거나, 전하를 방출하는 코팅을 개발하는 것이다. 그러나 지금으로서는, 빗방울이 단순히 물방울이 아니라 작은 번개라는 사실을 아는 것이 중요하다.