Viele kennen es aus dem Alltag: Der Anstrich am Gartenzaun muss nach einigen Jahren erneuert werden – „das Wetter hat ihm zugesetzt“. Doch auch größere Bauten, vom Eifelturm bis zur Golden Gate Bridge müssen zum Erhalt in mühevoller Arbeit neu lackiert werden. Bislang galten vor allem zwei Ursachen als treibende Kräfte hinter solchen Schäden an Beschichtungen: zum einen die mechanische Belastung, also eine Art Reibung zwischen Tropfen und Oberfläche, die die Schicht allmählich abschleift oder zum Abblättern bringt; zum anderen chemische Gründe, insbesondere wenn Tropfen Säuren oder Salze enthalten.
Forschende um Hans-Jürgen Butt, Direktor am Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP), haben nun in Zusammenarbeit mit Partnern der Universität Bonn, der South China University of Technology, dem MIT und der Johannes-Gutenberg Universität Mainz einen weiteren, bislang unbekannten Faktor identifiziert: die elektrische Aufladung von Tropfen. Wenn Wassertropfen über Oberflächen rutschen, entsteht ‚Reibungselektrizität‘. „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 Rüdiger Berger, Gruppenleiter im MPIP-Arbeitskreis „Physik an Grenzflächen“.
Um die Schädigung aufgrund solcher elektrischer Durchschläge nachzuweisen, ließen die Forschenden zunächst Tropfen gezielt auf eine homogen mit Teflon beschichtete Oberfläche fallen – ein Material, das man etwa von Bratpfannen kennt. Bei ungeladenen Tropfen zeigten sich selbst nach 3000 Aufprallen unter dem Mikroskop keine Veränderungen der Beschichtung.
Anschließend ließen sie die Tropfen vor dem Auftreffen über verschiedene Alltagsoberflächen laufen – darunter ein Blatt einer Zimmerpflanze, PVC sowie Polystyrol, wie es in Kunststofffenstern vorkommen kann. Beim Rutschen über diese Materialien laden sich die Tropfen auf und fallen anschließend auf die Teflon-Beschichtung. Nach 3000 Tropfen waren unter dem Mikroskop deutliche Veränderungen der Oberfläche und des darunter liegenden Metalls zu erkennen.
„Die Ladung, die ein Tropfen beim Rutschen aufnimmt, hängt stark von der jeweiligen Oberfläche ab – wir haben Unterschiede von bis zu einen Faktor zehn gemessen“, erklärt Zhongyuan Ni, Erstautor der Studie. „Unabhängig davon konnten wir in allen Versuchen Veränderungen an der Beschichtung nachweisen.“
Shuai Chen vom Institut für Anorganische Chemie der Universität Bonn trug zu dieser Studie durch Pulver-Röntgendiffraktionsmessungen (PXRD) und Datenanalyse bei. Die PXRD liefert einen charakteristischen „Fingerabdruck“ kristalliner Materialien und wurde genutzt, um die Produkte zu identifizieren, die sich nach wiederholten Aufprallen geladener Wassertropfen auf der Kupferoberfläche gebildet hatten. Die Messungen zeigten die Bildung von Kupfer(I)-oxid und basischem Kupferchlorid. Diese Ergebnisse lieferten den chemischen Nachweis dafür, dass geladene Wassertropfen die Schutzschicht beschädigen und Korrosion des darunterliegenden Kupfers verursachen können.
Die Forschenden hoffen, dass ihre in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichten Ergebnisse den Weg für neue, effizientere Beschichtungen ebnen, die dann Kulturgüter, Autos oder auch den heimischen Gartenzaun länger und effizienter schützen können.