Yağmurun metallerde korozyona yol açmasının bilinen nedeni, suyun taşıdığı çözünmüş tuzlar ve asitlerin yüzeye ulaşması, damlaların sürekli vuruşuyla üzerindeki koruyucu kaplamanın aşınması ve oksijenin de kalan işi tamamlamasıdır. Bu etkiyi önlemek için geliştirdiğimiz boyalar, polimer filmler veya oksit tabakaları gibi çözümlerin neredeyse tamamı bu temel mantık üzerine kuruludur. Ancak anlaşılan o ki, yağmurun bu konudaki önemli bir yönünü gözden kaçırmışız.
Almanya'nın Mainz kentindeki Max Planck Polimer Araştırma Enstitüsü'nde Zhongyuan Ni, Rüdiger Berger ve Hans-Jürgen Butt liderliğindeki yeni bir çalışma, su damlalarının yüzeye genellikle yalıtkan bir kaplamayı delecek kadar yüksek bir elektriksel yüke sahip olarak ulaştığını gösteriyor. Damlalar yüzeyi çizmiyor, yavaşça eritmiyor; adeta bir kıvılcımın boşluğu aşması gibi, elektriksel bir etkiyle delik açıyor.
Yüklü Yağmur
Çalışmanın başlangıç noktası, son birkaç yılda doğru bir şekilde ölçülebilen “sürüklenme ile elektriklenme” (slide electrification) fenomeni. Bir su damlası, yaprak, boyalı bir duvar, cam yüzey veya plastik panel gibi yalıtkan bir yüzey üzerinde kaydığında, o yüzeyden yük çeker ve geride zıt bir yük bırakır. Bu süreçte oluşan voltajlar küçümsenemeyecek düzeydedir. Bu şekilde yüklenen damlaların 9.000 volta kadar çıktığı ölçülmüştür.
Ni, Berger, Butt ve meslektaşlarının sorduğu soru şuydu: Bu yük, damlanın üzerine düştüğü yüzeyde ne gibi bir etkiye yol açar? Bunu öğrenmek için ekip, yağmur suyunu taklit etmek amacıyla bir tutam tuz içeren 35 mikrolitrelik su damlaları hazırladı. Bu damlalar, %50 eğimli bir yüzey üzerine bırakıldı. Damlalar yaklaşık dört santimetre kayarak yük kazandı, kenardan yuvarlandı ve ardından beş milimetre yükseklikten, günümüzdeki en kimyasal olarak dirençli kaplamalardan biri olan 60 nanometre kalınlığında Teflon filmle kaplanmış bir bakır plakaya düştü.
Eğimi yüzeyler, gerçek dünyadaki yağmur damlalarını taklit etmek amacıyla seçildi. Bunlardan biri araştırmacıların ofisinde yetişen bir bitkinin yaprağı, diğeri bir nalburdan alınan PVC köpük levha, üçüncüsü ise pencere camı olarak satılan şeffaf polistiren levhaydı. Yalnızca dördüncüsü, kuvars üzerinde florlanmış kaplama, etrafımızda yaygın olarak görülen bir materyalden ziyade daha çok laboratuvar ortamı için tasarlanmış bir yüzeydi. Damlaların kazandığı yük miktarı, yapraktan 0,2 nanocoulomb'dan florlanmış kuvars üzerinden 2 nanocoulomb'a kadar değişiklik gösterdi. Bir yağmur damlası büyüklüğündeki bir nesne için nanocoulomb, birkaç bin volta denk gelir.
Yaklaşık bir öğleden sonraki orta düzey yağmura eşdeğer 3.000 damla düştükten sonra, dört yüzeyin de altında bulunan bakır plaka, Teflon kaplamasına rağmen aşınmıştı. Darbe alanlarının atomik kuvvet mikroskobu incelemelerinde, bazı yerlerde Teflon filmin tüm kalınlığından daha derin, birkaç nanometre derinliğinde çukurlar tespit edildi. Bu, hasarın kaplamanın tamamından geçerek metale ulaştığı anlamına geliyordu. İlk kayma hareketini yapmadan (dolayısıyla yük taşımadan) doğrudan hedef plaka üzerine düşen damlalar ise aynı 3.000 darbeden sonra yüzeyi bozulmamış bırakmıştı.
Bir Kıvılcım Etkisi
Bilim insanları, yüksek hızlı kameralar aracılığıyla bu mekanizmayı iş başında yakalamayı başardılar.
Videolarda, nötr bir damlanın bakır plakaya yaklaşırken temas anına kadar pürüzsüz, yuvarlak bir alt yüzeye sahip olduğu görülüyor. Yüklü bir damla ise çok farklı bir davranış sergiliyor. Yüzeye yaklaştıkça, alt yüzeyi, sıvıların elektrostatik kuvvetin kendi yüzey gerilimini yenmesiyle aldığı keskin bir şekil olan bir Taylor konisi halini alıyor. Taylor konisi, damla ile metal arasındaki elektrik alanının suyu deforme edecek kadar güçlendiğinin bir işaretiydi.
Boşluk kapandıkça alanın gücünün artması beklenir. Bu etkiyi ölçmek için ekip, damlayı yükselen bir iletken duvar üzerindeki bir iletken küre olarak modelledi ve alan gücünün mesafeyle nasıl değiştiğini hesapladı. İki nanocoulomb yük taşıyan bir damlanın, Teflon'un bozulma eşiği olan milimetre başına 60 kilovolta ulaştığı bulundu. Bu, Teflon'un yalıtkanlığını kaybettiği elektriksel alan gücüdür. Bu durum, damlanın yüzeye yaklaşık 10 mikrometre mesafede olduğu sırada meydana geliyor. Milimetre başına 19 kilovolt ile verilen polistiren kaplama için ise bozulma 50 mikrometre uzaktayken gerçekleşiyor.
Kaplama, bozulma eşiğine ulaşıldığında yalıtkanlığını kaybettiği için, yük minyatür bir dielektrik bozulma ile kaplamanın içinden geçiyor. Bu, kapasitörlerin ve transformatör yalıtımının arızalanmasına neden olan aynı hata modudur. Bilim insanlarının gerçekleştirdiği yük ölçümleri, aktarımın neredeyse tam olduğunu doğruluyor; iki nanocoulomb ile gelen bir damla, darbede 1.8 nanocoulomb'unu bakıra aktardı ve başlangıçtaki yükün %1'inden azı olan 0.016 nanocoulomb ile uzaklaştı.
Yük miktarı damlanın ne kadar kaydığıyla ve kaplamanın direnç yeteneği kalınlığıyla orantılı olduğundan, etkinin bir sınırı var. On iki mikrometre kalınlığındaki polistiren filmler delinirken, 130 mikrometre kalınlığındaki filmler hasar görmeden kaldı.
Kullandığımız boya kaplamalarının çoğu sadece birkaç mikrometre kalınlığındadır ve araştırmacılar, nanocoulomb ölçeğindeki yüklerin çoğunu delebileceğini belirtiyor.
Hasarın Boyutu
Bilim insanları, kaplama delindikten sonra, ortaya çıkan metalin tuzlu bir damlayla karşı karşıya kaldığını ve bu durumun yeni bir elektriksel potansiyel oluşturduğunu buldu. Bu da, korozyona neden olan sıradan elektrokimyasal reaksiyonların, engellenmesi gereken yüzey üzerinde serbestçe çalışmasına olanak tanıyor.
Araştırmacılar, bakır üzerindeki korozyon ürünlerini Raman spektroskopisi ve X-ışını kırınımı ile tanımladılar. Bunlar arasında kuprik oksit ve paslanmış bakır çatılardan tanıdık gelen açık yeşil bileşik olan bazik bakır klorür bulundu. Hasarlı bölgelerin elementel haritalaması, oksijen ve klorun içeri girdiğini ve Teflon'dan flor ve karbonun dışarı çıktığını gösterdi; bu tam da bir kaplamanın bozulduğunda olması gereken şeyler.
Polimerin kendisi de kimyasal olarak yeniden düzenleniyor. Yüklü damlaların çarptığı polistiren filmlerde, lazer altında yeşil parlayan pürüzlü yamalar oluştu; saf polistiren bu şekilde davranmaz. Nano ölçekli kızılötesi spektroskopi, bu floresanın yeni oluşan karbon-karbon ve karbon-oksijen çift bağlarından kaynaklandığını ortaya koydu; bu da malzemenin elektriksel olarak pişirilerek yeni bir şeye dönüştüğünün bir işareti.
Ekip ayrıca, korumanın ne kadar hızlı bozulduğunu anlamak için empedans ölçümleri de yaptı. 10.000 yüklü damladan sonra, Teflon filmin bariyer özellikleri, tuzlu suda dört saatlik sürekli daldırmadan sonra görülen bozulmadan daha fazla gerilemişti. Bu karşılaştırma, dört saatin kabaca damlaların sağladığı toplam ıslak temas süresine denk gelmesi nedeniyle seçildi.
Üstelik, hasar başladığında hızlanıyor. Delinmiş bir nokta daha kolay ıslanır, suyu daha uzun süre tutar ve büyür. 50.000 damladan sonra, korozyona uğramış yama bir milimetreden daha geniş bir alana yayılmıştı.
Alttaki Metal
Son deneylerinde ekip, yüzeyin üçte ikisi kuvars, diğer üçte biri ise bakırdan oluşan ve tamamı tek bir homojen Teflon tabakasıyla kaplanmış, kusursuz bir yüzey oluşturan bir plaka hazırladı.
Bu plaka üzerinde kayan yüklü damlalar, gömülü kuvars-bakır sınırı boyunca bir çizgi oluşturarak korozyona yol açtı. Bunun nedeni, yüklü bir damlanın dokunduğu yüzeye değil, zıt yükü sağlayacak kadar yakında bulunan şeye tepki vermesidir. Kuvars üzerinde zıt bir yük bulunmadığı için alan zayıf kalır. Damla bakıra geçtiği anda, metalin serbest elektronları yüzeye dönerek yeniden düzenlenir; kaplamanın hemen altında eşit ve zıt bir yük toplanır ve ikisi arasındaki alan hızla yükselir. Teflon bu orta alanda kalır.
Yazarlar, bunun genel olarak kompozit malzemeler için derin çıkarımları olduğunu savunuyor. İletken veya yüksek dielektrik geçirgenliğe sahip bir bileşenin bir yalıtkan matrise gömüldüğü her yerde, kayan yüklü damlaların bu bileşeni bulması beklenir. Köprüler, gemi gövdeleri, boyalı çelik, dış mekan elektronik cihazlarının polimer muhafazaları ve tarihi binaların metal işçiliği bu duruma aday gösterilebilir.
Ekip, makalede, yüklü damlaların bulutlarda, fırtınalarda, okyanus dalgalarında, çeşmelerde ve şelalelerde doğal olarak oluştuğunu belirtiyor. Ayrıca elektrostatik püskürtme ve mürekkep püskürtmeli baskı gibi endüstriyel süreçlerde de meydana geliyor. Tanımladıkları mekanizmanın, kimse tarafından gerçekten ölçülmeden her yerde işlediğini iddia ediyorlar.
Makalenin verileri, koruyucu katmanları kalınlaştırmanın olası bir çözüm olduğunu gösteriyor. 130 mikrometre kalınlığındaki polistiren filmler sağlam çıktı çünkü aynı voltajı on kat daha fazla mesafeye yaymak, alanı malzemenin tolore edebileceği seviyenin altına düşürüyor. Ancak kalınlık her zaman bir seçenek değil; optik filmlerin berrak kalması, uçaklardaki koruyucu katmanların hafif ve esnek kalması gerekiyor ve dış mekan elektronik cihazlarındaki bariyerler tasarımları gereği incedir. Gerçekten ihtiyaç duyulan şey, ne kadar elektrik alanına dayanabileceği belirtilmiş bir kaplamadır ve sahip olduklarımızın çoğu, kimyasal direncine göre seçilmiştir.
