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Überraschenden Grund für Korrosion durch Regen entdeckt
Unsichtbarer Stromschlag: Wassertropfen können beim Gleiten über Blätter, Glas oder Kunststoffe elektrische Ladung aufnehmen. Laborversuche zeigen nun, dass solche geladenen Tropfen isolierende Schutzschichten lokal elektrisch durchschlagen und dadurch Korrosion am darunterliegenden Metall anstoßen können. Der Effekt könnte damit eine bislang übersehene Rolle bei der Alterung beschichteter Metalloberflächen spielen.
Mainz (Deutschland). Regen, Gischt und Schmelzwasser setzen Metalloberflächen dauerhaft zu, weshalb Schutzlacke und andere isolierende Beschichtungen verhindern sollen, dass Wasser und Salze das Metall erreichen. Bisher wurden Schäden durch Tropfen vor allem mit mechanischer Belastung und chemischen Einflüssen erklärt. Doch Wasser kann beim Kontakt mit Oberflächen auch elektrische Ladung aufnehmen.
Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) um Dr. Rüdiger Berger haben nun untersucht, ob diese sogenannte Gleit- oder Kontaktelektrifizierung selbst zum Korrosionsfaktor werden kann. Das Team ließ dafür Wassertropfen über verschiedene isolierende Oberflächen gleiten und anschließend auf beschichtete Metallproben treffen.
Für einen zentralen Vergleich verwendeten die Forscher 35 Mikroliter große Tropfen mit einer Natriumchlorid-Konzentration von einem Millimol pro Liter. Diese fielen direkt auf eine mit 60 Nanometer Teflon geschützte Kupferschicht, deren Oberfläche selbst nach 3.000 Treffern elektrisch neutraler Tropfen unter dem Mikroskop glatt und ohne auffällige Schäden blieb.
Anders sah es aus, wenn die Tropfen zuvor vier Zentimeter über ein Pflanzenblatt, eine PVC-Schaumplatte, Polystyrol oder fluorierten Quarz gerutscht waren. Dabei nahmen sie je nach Oberfläche zwischen 0,2 und 2 Nanocoulomb Ladung auf. Nach 3.000 Treffern zeigten alle vier Varianten Defekte in der Beschichtung und Korrosionsspuren am darunterliegenden Metall.
„Wir haben vor einigen Jahren die Physik dahinter erforscht, wie sich Wassertropfen aufladen, wenn sie über Oberflächen rutschen. Dies ist eine Art ‚Reibungselektrizität‘ bei Tropfen und physikalisch viel komplexer als angenommen“, sagt Dr. Rüdiger Berger.
Die Ladungsmenge war stark vom Material abhängig, doch entscheidend war, dass die Beschichtung bei allen untersuchten Ladeoberflächen geschädigt wurde. Auch andere Kombinationen aus Beschichtung und Metall zeigten ähnliche Schäden, darunter Polystyrolschichten auf Kupfer oder Gold sowie eine Siliziumdioxidschicht auf Gold.
Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zeigten, was unmittelbar vor dem Kontakt geschieht: Geladene Tropfen verformten sich an ihrer Unterseite zu einer kleinen Spitze, während elektrisch neutrale Tropfen rund blieben. Messungen ergaben zudem, dass ein Tropfen mit rund 2 Nanocoulomb Ladung beim Auftreffen etwa 1,8 Nanocoulomb an das Kupfer übertrug und danach nur noch einen sehr kleinen Rest behielt.
„Treffen solche geladenen Tropfen auf eine Beschichtung, entladen sie sich lokal und können die Schicht punktuell durchschlagen wie ein kleiner Blitz – mit Folgen für ihre Haltbarkeit“, sagt Dr. Rüdiger Berger.
Das Team führt die Schäden auf einen dielektrischen Durchschlag zurück, weil das elektrische Feld beim Annähern des geladenen Tropfens lokal so stark werden kann, dass die isolierende Schicht versagt. Berechnungen und Experimente deuten darauf hin, dass Ladungen im Nanocoulomb-Bereich selbst mikrometerdicke Polymerbeschichtungen schädigen können.