闪烁的水 研究发现了水损害表面的一个被忽视的方式。来源：simonkr/Getty Images 雨水导致腐蚀的标准解释是水将溶解的盐分和酸带到表面，雨滴的持续敲打会磨损其保护涂层，氧气则完成剩下的工作。我们几乎所有用来防止这种情况的工具——涂料、聚合物薄膜或氧化层——都是基于这一想法构建的。但显然，我们一直忽视了关于雨水的一些重要内容。 德国美因茨马普兰克高分子研究所的钟元尼、吕迪格·贝尔格和汉斯-尤尔根·布特领导的一项新研究表明，水滴以足够大的电荷到达表面，能够穿透绝缘涂层。不是刮伤它，也不是慢慢溶解它。而是像电火花跳跃间隙那样，电力在涂层中打孔。 带电的雨 这项研究的起点是一个叫做“滑动电气化”的现象，近几年来才得到了适当的量化。当水滴在绝缘表面上滑动，例如在叶子、涂漆墙壁、窗玻璃或塑料面板上时，它会从该表面剥离电荷，并留下相反的电荷。所涉及的电压并不微不足道。用这种方式充电的水滴已被测量到最高可达9000伏特。 钟元尼、贝尔格、布特和他们的同事提出的问题是，这个电荷对水滴接触的下一个表面有什么影响。为了找到答案，团队释放了35微升的水滴，约为大雨滴的大小，含有一撮盐以模拟雨水，滴在一个倾斜50度的表面上。水滴滑动了大约四厘米，带上电荷，滚落到边缘，然后落到一个涂有60纳米聚四氟乙烯膜的铜板上，这是目前市场上最耐化学腐蚀的涂层之一。 这些倾斜的表面主要是为了模拟现实世界中的雨滴。其中一个来自一株在研究人员办公室内生长的船形草植物的叶子。另一个是来自五金店的PVC泡沫板。第三个是作为窗户玻璃出售的透明聚苯乙烯薄片。第四个，即氟化涂层的石英，更多的是实验室的创造，而不是人们通常在周围看到的东西。 水滴所带电荷的范围从叶子上的0.2纳库仑到氟化石英上的2纳库仑。一个大小如雨滴的纳库仑相当于几千伏特。在经历了3000个水滴（大致相当于一个下午的中等降雨）后，四个表面下的铜板遭到了腐蚀，尽管它有聚四氟乙烯涂层。原子力显微镜对撞击区的观察发现某些地方有几个纳米深的凹坑，甚至深于聚四氟乙烯膜的整体厚度，这意味着损伤直接穿透了涂层进入金属。 直接落到目标上而没有先滑动的水滴（因此没有带电）在相同的3000次撞击后却保持了表面的原始状态。 一次火花 科学家们通过高速摄像机捕捉到该机制的行为。在视频中，研究人员看到一滴中性水滴接近铜板时与表面保持平滑、圆形的底部，直到接触。而一滴带电水滴则表现得非常不同。当它接近表面时，其底部伸展成一个泰勒锥——当静电力压倒自身表面张力时，液体所形成的尖锐形状。泰勒锥表明水滴与金属之间的电场强度已经足够强，以至于形变了水。随着间隙关闭，电场强度应继续上升。 为了量化这种效果，团队将水滴建模为一个悬浮在导电墙上的导电球体，然后计算电场强度如何随距离的变化而变化。他们发现，携带2纳库仑电荷的水滴在距离表面约10微米时，达到每毫米60千伏特的电压，这是聚四氟乙烯的击穿阈值——绝缘体停止绝缘的电场强度。 对于聚苯乙烯涂层，其在每毫米19千伏特时就会失效，击穿发生在50微米处。因为涂层在达到击穿阈值时停止绝缘，所以电荷在微型介质击穿中穿透它，这种故障模式会导致电容器和变压器绝缘失效。 科学家们进行的电荷测量证实了这一传递几乎是完全的——一滴带有2纳库仑的水滴在撞击时将其中的1.8个纳库仑转移到了铜上，并以0.016纳库仑的电荷反弹离开，这不到它开始时的1%。由于电荷量与水滴滑动的距离成正比，而涂层抗拒的能力则与其厚度成正比，所以这种效果是有限制的。12微米的聚苯乙烯膜被穿透，而130微米的膜则幸存下来。我们使用的大多数涂料涂层厚度仅为几微米。