Từ trước đến nay, giới khoa học và ngành công nghiệp sản xuất đều cho rằng kim loại bị phá hủy bởi hai con đường chính: ma sát cơ học từ các va chạm vật lý và sự tấn công hóa học từ muối, axit cùng các chất ô nhiễm. Tuy nhiên, một công bố mới đây trên tạp chí Nature đã chỉ ra cơ chế thứ ba hoàn toàn bất ngờ: nước có thể tích tụ điện tích trong quá trình chuyển động để phóng tia điện đục thủng các lớp bảo vệ bên ngoài, mở đường cho rỉ sét tấn công kim loại bên dưới.
Hiện tượng này bắt nguồn từ sự trao đổi điện tích khi chất lỏng tiếp xúc và tách rời khỏi bề mặt chất rắn - một dạng tĩnh điện thể lỏng. Trong các thử nghiệm thực tế, những giọt nước muối có thể tích 35 microlit khi trượt một quãng đường chỉ 4 cm qua lá cây cảnh, vách nhựa PVC hay vật liệu cửa sổ đã tích lũy một lượng điện tích từ 0,2 đến 2 nanocoulomb.
Nhờ sự hỗ trợ của video quay ở tốc độ cao, các nhà nghiên cứu đã ghi lại toàn bộ cơ chế phá hủy này. Khi giọt nước tích điện rơi xuống gần bề mặt kim loại có phủ lớp bảo vệ cách điện, phần đáy của giọt nước bị kéo dãn thành một hình nón nhọn. Lúc này, giọt nước và tấm kim loại bên dưới đóng vai trò như hai điện cực mang điện tích trái dấu. Khoảng cách siêu nhỏ giữa chúng khiến cường độ điện trường tăng vọt, dẫn đến hiện tượng đánh thủng điện môi.
Tiến sĩ Rüdiger Berger thuộc Viện Nghiên cứu Polyme Max Planck giải thích rằng khi va chạm, giọt nước sẽ phóng điện cục bộ và chọc thủng lớp bảo vệ tại các điểm tiếp xúc giống như một tia sét siêu nhỏ. Phần lớn điện tích tích tụ trong giọt nước đã biến mất sau cú va chạm, chứng minh dòng điện đã xuyên thẳng qua lớp sơn chắn để đi vào lõi kim loại. Dù lượng điện tích trong mỗi giọt là rất bé, điện trường cực mạnh ở cự ly siêu gần vẫn đủ sức tạo ra các lỗ thủng vi mô.
Thử nghiệm cho thấy các giọt nước trung hòa về điện không gây ra bất kỳ tổn hại nào cho bề mặt đồng phủ Teflon sau 3.000 lần va chạm. Ngược lại, các giọt nước tích điện đã liên tục phá hủy các lớp phủ phổ biến như Teflon, polystyrene và cả lớp silica cách điện bảo vệ vàng. Mô hình tính toán chỉ ra rằng một giọt nước tích điện 2 nanocoulomb có thể đánh thủng lớp Teflon dày 10 micromet hoặc lớp polystyrene dày 50 micromet.
Vấn đề trở nên đặc biệt nghiêm trọng khi số lượng va chạm tăng lên. Trên các lá đồng thương mại, sau khoảng 10.000 lần va chạm với giọt nước tích điện, khả năng che chắn của lớp phủ đã suy giảm rõ rệt. Đến mốc 50.000 lần va chạm, những vùng bị ăn mòn rộng hơn một milimet đã xuất hiện rõ ràng.
Đáng chú ý, mức độ phá hủy do các giọt nước tích điện gây ra nặng nề hơn rất nhiều so với việc chỉ ngâm tấm kim loại trong dung dịch muối có cùng nồng độ. Thậm chí, khi các giọt nước tích điện trượt qua một lớp phủ nhẵn che ranh giới giữa thạch anh và đồng, một vết rãnh khuyết tật đã xuất hiện chính xác dọc theo đường ranh giới đó sau 3.000 lượt trượt.
Phát hiện mang tính đột phá này đã lật ngược hướng tiếp cận trước đây của nhiều nghiên cứu, vốn chỉ tập trung vào việc biến tĩnh điện từ nước thành máy phát điện hữu ích.
Theo ước tính từ Hiệp hội Bảo vệ và Hiệu năng Vật liệu, thiệt hại do ăn mòn kim loại trên quy mô toàn cầu lên tới 2,5 nghìn tỷ USD mỗi năm, tương đương khoảng 3,4% GDP toàn cầu. Cơ chế phóng điện từ giọt nước chuyển động có thể là mảnh ghép còn thiếu giải thích cho nhiều trường hợp lớp sơn bảo vệ trên xe cộ, tàu thuyền hay cầu cống bị xuống cấp nhanh chóng ngoài đời thực.
Mặc dù vẫn cần thêm các nghiên cứu dài hạn ngoài môi trường tự nhiên đối với nước mưa và bụi nước biển, phát hiện này chắc chắn sẽ buộc các kỹ sư vật liệu phải thay đổi tư duy. Trong tương lai, các lớp phủ bảo vệ kim loại không chỉ cần độ bền cơ học và tính trơ hóa học, mà bắt buộc phải sở hữu độ bền điện môi đủ cao để chống lại các tia sét siêu nhỏ ẩn mình trong từng giọt nước.
Tham khảo: ZME
Đức Khương
