I årtionden har vi skyllt regnets frätande krafter på lösta salter, syror och det obevekliga trummandet som nöter bort skyddande beläggningar. Färger, polymerfilmer och oxidlager har alla designats för att motstå kemiska angrepp. Men det visar sig att regndroppar har dolt en chockerande hemlighet: de anländer med en elektrisk laddning stark nog att slå hål genom en isolerande beläggning – inte genom att repa eller lösa upp, utan genom att bokstavligen spränga ett litet hål i den, som en gnista som hoppar över ett gap.

En ny studie ledd av Zhongyuan Ni, Rüdiger Berger och Hans-Jürgen Butt vid Max Planck-institutet för polymerforskning i Mainz, Tyskland, har avslöjat detta elektrifierande fenomen. Syndabocken är något som kallas 'glid-elektrifiering', en process som bara nyligen kvantifierats. När en vattendroppe glider över en isolerande yta – som ett blad, en målad vägg, en fönsterruta eller en plastpanel – stjäl den laddning från ytan och lämnar kvar en motsatt laddning. Dessa laddningar är inte triviala: droppar har uppmätts till upp till 9 000 volt.

Teamet ville veta vad som händer när en sådan laddad droppe landar på en yta. De släppte 35-mikroliterdroppar – ungefär lika stora som en stor regndroppe – med en nypa salt för att efterlikna regnvatten, på en yta lutad 50 grader. Dropparna gled ungefär fyra centimeter, tog upp en laddning, rullade över kanten och föll fem millimeter ner på en kopparplatta belagd med en 60-nanometer Teflonfilm, en av de mest kemiskt resistenta beläggningar som finns. De lutande ytorna inkluderade ett blad från en Tradescantia spathacea-växt, en PVC-skiva och ett ark transparent polystyren – verkliga ytor som en regndroppe kan möta.

Laddningarna som togs upp varierade från 0,2 nanocoulomb från bladet till två nanocoulomb från fluorerad kvarts. En nanocoulomb i en regndroppe motsvarar några tusen volt. Efter 3 000 droppar – ungefär en eftermiddags måttligt regn – hade kopparplattan under alla fyra ytorna korroderat, trots Teflonbeläggningen. Atomkraftsmikroskopi avslöjade gropar flera nanometer djupa, djupare än hela Teflonfilmen, som trängt rakt igenom till metallen. Droppar som föll direkt utan att glida (och därmed inte bar någon laddning) lämnade ytan orörd efter samma 3 000 nedslag.

Höghastighetskameror fångade mekanismen i aktion. En neutral droppe behåller en slät, rund botten tills kontakt, men en laddad droppes undersida sträcks ut till en Taylor-kon – en skarp form som bildas när elektrostatisk kraft övervinner ytspänning. Detta indikerade att det elektriska fältet mellan droppe och metall hade blivit starkt nog att deformera vatten. Genom att modellera droppen som en ledande sfär som svävar över en ledande vägg, beräknade teamet att en droppe som bär två nanocoulomb når 60 kilovolt per millimeter – Teflons genombrottströskel – medan den fortfarande är cirka 10 mikrometer från ytan. För polystyren, som bryts ner vid 19 kilovolt per millimeter, sker genombrottet 50 mikrometer ut.

När beläggningen slutar isolera river laddningen igenom i ett miniatyr dielektriskt genombrott, samma felsätt som dödar kondensatorer. Laddningsöverföringen är nästan total: en droppe som anlände med två nanocoulomb dumpade 1,8 i kopparn och studsade iväg med bara 0,016 nanocoulomb, mindre än 1 % av vad den började med.

Denna effekt har begränsningar. Tolv mikrometer tjocka polystyrenfilmer slogs igenom, men 130 mikrometer tjocka överlevde. Men de flesta färgbeläggningar är bara några mikrometer tjocka, och laddningar i nanocoulomb-skala kan bryta igenom de flesta av dessa. När väl genombrottet skett sitter den exponerade metallen i en salt droppe med en färsk elektrisk potential, vilket tillåter vanlig elektrokemi att korrodera ytan som var tänkt att skyddas.

Teamet identifierade korrosionsprodukter med Raman-spektroskopi och röntgendiffraktion: kopparoxid och basisk kopparklorid – den ljusgröna föreningen som ses på väderbitna koppartak. Elementkartläggning visade syre och klor som strömmade in, medan fluor och kol försvann. Så nästa gång du ser rost på din bil, skyll inte bara på regnets kemi – skyll på de små blixtarna som följer med varje droppe.