Standardno objašnjenje zašto kiša uzrokuje koroziju glasi: voda nosi otopljene soli i kiseline na površinu, stalno bubnjanje kišnih kapi abradira bilo koji zaštitni premaz na njoj, a kisik čini ostalo. Gotovo svi naši alati za obranu – boje, polimerni filmovi ili oksidni slojevi – izgrađeni su oko ove ideje.
Ali, čini se kako stvari funkcioniraju drukčije. Nova studija pri Institutu za istraživanje polimera Max Planck u Mainzu u Njemačkoj pokazala je kako kapljice vode rutinski stižu na površinu noseći električni naboj dovoljno velik za probijanje izolacijskog premaza. Rezultati istraživanja objavljeni su ovdje.
Početna točka studije je fenomen nazvan klizna elektrifikacija. Kada kap vode klizi preko izolacijske površine poput lista, obojenog zida, prozorskog okna ili plastične ploče, ona skida naboj s te površine i ostavlja suprotan naboj. Takvi naponinisu trivijalni. Kapljice nabijene na ovaj način pokazivale su do 9000 volti.
Što taj naboj radi površini na koju kap sljedeće padne? Kako bi to saznali, istraživači su ispustili kapi vode od 35 mikrolitara, otprilike veličine velike kapi kiše, koje sadrže prstohvat soli kako bi oponašale kišnicu, na površinu nagnutu pod kutom od 50 stupnjeva.Kapljice su klizile oko četiri centimetra, primile naboj, otkotrljale se s ruba, a zatim pale pet milimetara na bakrenu ploču presvučenu 60-nanometarskim filmom teflona, jednim od d kemijski najotpornijih premaza.
Nagnute površine uglavnom su odabrane kako bi oponašale kapi kiše u stvarnom svijetu. Jedan je bio list biljke Tradescantia spathacea koja raste u jednom od ureda istraživača. Druga je bila PVC pjenasta ploča iz trgovine željezarijom.
Treća je bila ploča prozirnog polistirena koja se prodaje kao ostakljenje za prozore. Samo je četvrta, fluorirani premaz na kvarcu, bila više laboratorijska kreacija nego nešto na što inače možemo naići.
Naboji koje su kapi pokupile kretali su se od 0,2 nanokulona s lista do dva nanokulona s fluoriranog kvarca. Nanokulon u nečemu veličine kišne kapi iznosi nekoliko tisuća volti.
Nakon 3000 kapi, što je otprilike ekvivalentno popodnevu umjerene kiše, bakrena ploča ispod sve četiri površine je korodirala, unatoč teflonskom premazu. Mikroskopija atomskih sila udarnih zona otkrila je udubine duboke nekoliko nanometara na mjestima dubljim od cijele debljine teflonskog filma, što znači kako je oštećenje prolazilo čisto kroz premaz i u metal. Kapi koje su pale izravno na metu bez klizanja prvo (i stoga nisu nosile naboj) ostavile su površinu netaknutom nakon istih 3000 udara.
Kapi koje se ponašaju drukčije
Znanstvenici su uspjeli uhvatiti mehanizam na djelu pomoću brzih kamera. U videozapisima su vidjeli kako neutralna kap koja se približava bakrenoj ploči zadržava glatko, okruglo dno sve do kontakta.
Nabijena kap radi nešto sasvim drugačije. Kako se približava površini, njezina donja strana se rasteže u Taylorov konus – oštar oblik koji tekućina poprima kada elektrostatska sila nadvlada vlastitu površinsku napetost. Taylorov konus bio je znak kako je električno polje između kapi i metala postalo dovoljno jako kako bi deformiralo vodu.
Jačina polja trebala bi nastaviti rasti kako se jaz zatvara. Kako bi kvantificirali ovaj učinak, tim je modelirao kap kao vodljivu sferu koja lebdi iznad vodljivog zida, a zatim izračunao kako se jakost polja mijenja s udaljenošću.
Otkrili su kako kap koja nosi dva nanokulona doseže 60 kilovolti po milimetru, prag proboja teflona – jakost električnog polja pri kojoj izolator prestaje izolirati. To se događa dok je kap još otprilike 10 mikrometara udaljena od površine. Za polistirenski premaz, koji se predaje na 19 kilovolti po milimetru, proboj se događa 50 mikrometara dalje.
Budući premaz prestaje biti izolator kada se dosegne prag proboja, naboj ga probija u minijaturnom dielektričnom proboju, istom načinu kvara koji uništava kondenzatore i izolaciju transformatora. Mjerenja naboja koja su znanstvenici proveli potvrđuju kako je prijenos gotovo potpun – kap koja stiže s dva nanokulona ispustila je 1,8 njih u bakar pri udaru i odbila se s 0,016 nanokulona, manje od jedan posto onoga s čime je započela.
Bitno je koliko klizi
Budući se količina naboja skalira s time koliko daleko kap klizi i sposobnost premaza za odupiranje skaliranju s njegovom debljinom, učinak ima ograničenje. Polistirenske folije od dvanaest mikrometara probijene su, dok su folije od 130 mikrometara preživjele.Većina premaza boje koje koristimo debela je samo nekoliko mikrometara. Naboji nanokulona mogu probiti većinu njih.
Nakon što je premaz probijen, izloženi metal ostaje u slanoj kapljici sa svježim električnim potencijalom preko nje. To ostavlja uobičajenu elektrokemiju koja uzrokuje koroziju slobodnom za djelovanje.
Istraživači su identificirali produkte korozije na bakru Ramanovom spektroskopijom i rendgenskom difrakcijom. Pronašli su bakrov(I) oksid i bazični bakrov(II) klorid, blijedozeleni spoj poznat s istrošenih bakrenih krovova. Elementarno mapiranje oštećenih zona pokazalo je prodiranje kisika i klora te izlijevanje fluora i ugljika iz teflona – upravo ono što bi se trebalo dogoditi kada je premaz narušen.
Sam polimer se također kemijski preuređuje. Polistirenske folije pogođene nabijenim kapljicama razvile su hrapave mrlje koje su svijetlile zeleno pod laserom, što običan polistiren ne čini. Nanoskalna infracrvena spektroskopija pratila je fluorescenciju do novostvorenih dvostrukih veza ugljik-ugljik i ugljik-kisik, potpisa materijala koji je električno “skuhan” u nešto novo.
Teflon uhvaćen u sredini
Tim je također proveo mjerenja impedancije kako bi saznao koliko brzo zaštita degradira. Nakon 10 tisuća nabijenih kapljica, barijerna svojstva teflonskog filma pala su više nego nakon četiri sata kontinuiranog uranjanja u slanu vodu. Četiri sata je otprilike ukupno vrijeme kontakta s vodom koje kapljice pružaju.
Jednom kada oštećenje započne, ono se ubrzava. Probijeno mjesto se lakše kvasi, dulje zadržava vodu i raste. Nakon 50 tisuća kapljicakorodirano mjesto bilo je veće od milimetra u promjeru.
U posljednjem eksperimentu, tim je izgradio ploču koja je bila od kvarca na dvije trećine i bakra na drugoj trećini, a zatim je cijelu stvar premazao jednim jednoličnim slojem teflona koji je pružio bezličnu površinu. Nabijene kapljice koje su klizile po toj ploči korodirale su liniju duž zakopane granice kvarca i bakra. Razlog je taj što nabijena kapljica ne reagira na površinu koju dodiruje, već reagira na ono što se nalazi dovoljno blizu da osigura suprotan naboj.
Nema suprotnog naboja iznad kvarca, a polje ostaje slabo. U trenutku kada kapljica prijeđe na bakar, slobodni elektroni metala preuređuju se prema njemu – jednak i suprotan naboj skuplja se odmah ispod premaza, a polje između njih brzo raste. Teflon je uhvaćen u sredini.
Debljina (ni)je rješenje
Autori istraživanja uvjereni su kako to ima duboke implikacije za kompozitne materijale općenito. Bilo gdje gdje je vodljiva ili komponenta visoke permitivnosti ugrađena u izolacijsku matricu, klizne nabijene kapljice trebale bi je pronaći. Mostovi, trupovi, obojeni čelik, polimerna kućišta vanjske elektronike i metalni dijelovi na povijesnim zgradama svi su potencijalne mete.
Nabijene kapljice prirodno se formiraju u oblacima, grmljavinskim olujama, oceanskim valovima, fontanama i slapovima, kao i u industrijskim procesima poput elektrostatskog prskanja i inkjet ispisa.
Podaci iz rada ukazuju na to kako je izrada debljih zaštitnih slojeva moguće rješenje. Polistirenske folije od 130 mikrometara prošle su netaknute jer širenje istog napona na deset puta veću udaljenost spušta polje ispod onoga što materijal može podnijeti.
Debljina, međutim, nije uvijek opcija – optički filmovi moraju ostati prozirni, zaštitni slojevi na zrakoplovima moraju ostati lagani i fleksibilni, a barijere na vanjskoj elektronici su tanke po dizajnu. Potreban je premaz određen za to koliko električnog polja može podnijeti.
[post_publish_update_datetime]
