Ob Gartenzäune, Schiffsrümpfe, Stahlbrücken oder auch der Eifelturm: Wenn Metallobjekte längere Zeit der Witterung ausgesetzt sind, korrodieren sie: Eisen rostet, Kupfer läuft an und auch andere Metalle nehmen Schaden. Deswegen müssen die Metallflächen mit Korrosionsschutz-Lack oder -Beschichtungen überzogen werden. Allerdings halten diese meist nur begrenzte Zeit, bis sie erneuert werden müssen.
Als Ursache für die nachlassende Wirkung von Rostschutz und Co. galten bisher vor allem zwei Faktoren: Der erste ist die mechanische Belastung durch Regentropfen, die auf die Metalloberfläche prallen und an ihr hinuntergleiten. Der zweite ist eine chemische Verwitterung der Antikorrosionsschicht durch die im Regenwasser enthaltenen Säuren und Schadstoffe.
Reibungselektrizität auch bei Wassertropfen
Doch es gibt noch einen dritten Faktor, wie nun Zhongyuan Ni und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz herausgefunden haben. Den Anstoß dafür gab die Entdeckung, dass Wassertropfen sich unerwartet stark elektrisch aufladen können, wenn sie über Oberflächen gleiten. Die Reibung bewirkt dann eine Ladungstrennung und lädt die Tropfen auf. „Das elektrische Potenzial der geladenen Wassertropfen kann je nach Material mehrere tausend Volt erreichen“, berichten die Forschenden.
In ihrem Experiment haben Ni und sein Team untersucht, welche Auswirkungen solche geladenen Tropfen auf Schutzbeschichtungen haben können. Dafür ließen sie zunächst elektrisch neutrale Tropfen auf eine mit Teflon beschichtete Kupferfläche fallen. Im Alltag bewahrt eine solche Antihaft-Schutzschicht Pfannen vor anklebenden Essensresten und schützt ihr Metall – auch vor neutralen Tropfen, wie der Versuch ergab: Nach 3000 aufgeprallten Tropfen war die Schutzschicht noch völlig unversehrt und auch unter dem Mikroskop glatt und unbeschädigt.
Aufgeladene Tropfen lösen Korrosion aus
Das ändert sich jedoch, wenn die Wassertropfen vorher über eine andere Oberfläche gelaufen sind. Im Experiment leiteten Ni und sein Team die Tropfen dafür über das Blatt einer Zimmerpflanze, über ein Stück PVC-Schaumstoff, über ein Kunststofffenster aus Polystyrol und eine wasserabweisende Beschichtung von Quarzglas. In allen Durchgängen liefen die Tropfen vier Zentimeter weit über die geneigten Materialflächen, dann tropften sie auf das mit Teflon beschichtete Kupfer.
Versuchsaufbau: Wassertropfen laufen je nach Durchgang über vier verschiedene Oberflächen, bevor sie auf eine teflonbeschichtete Kupferfläche fallen. — © Ni et al./ Nature, CC-by 4.0
Das Ergebnis diesmal: Nach 3000 elektrisch aufgeladenen Tropfen waren im Rasterkraftmikroskop deutliche Veränderungen der Schutzschicht und des darunter liegenden Metalls zu erkennen. „Die aufprallenden Tropfen erzeugten lochähnliche Defekte in der Oberfläche. Sowohl der Teflonfilm als auch das Kupfersubstrat waren korrodiert“, beschreiben Ni und seine Kollegen die Resultate.
„Durchschlagend wie ein kleiner Blitz“
Welcher Mechanismus dahinter steckt, ermittelte das Team über ergänzende Messungen. „Die Ladung, die ein Tropfen beim Rutschen aufnimmt, hängt dabei stark von der jeweiligen Oberfläche ab – wir haben Unterschiede von bis zu einem Faktor zehn gemessen“, erklärt Ni. Ein Wassertropfen lädt sich beispielsweise um zwei Nanocoloumb auf, wenn er vier Zentimeter weit über die wasserabweisende Quarzbeschichtung gleitet.
Nähert sich dieser positiv geladene Tropfen dann dem beschichteten Kupfer, entsteht zwischen Tropfen und Metall ein elektrisches Feld. Trifft der Wassertropfen dann auf die Teflonschicht, gibt er den größten Teil seiner elektrischen Ladung an das Kupfer ab – ungeachtet der dazwischenliegenden Beschichtung. „Treffen solche geladenen Tropfen auf eine Beschichtung, entladen sie sich lokal und können die Schicht punktuell durchschlagen wie ein kleiner Blitz“, erklärt Seniorautor Hans-Jürgen Butt vom MPI für Polymerforschung.
Diese winzigen Entladungen schädigen die Schutzschicht im Laufe der Zeit immer stärker und zersetzen sie auch chemisch, wie Ni und seine Kollegen ermittelten. Im Experiment zeigte sich dies an verringerten Chlor- und Fluor-Gehalten der am stärksten geschädigten Teflonstellen und einer verstärkten Oxidierung. Durch diese Schäden wird die Schicht durchlässig und das darunter liegende Metall kann korrodieren.
Neue Ansatzpunkte für den Korrosionsschutz
„Unsere Ergebnisse enthüllen damit einen zuvor unerkannten Effekt: Auf natürliche Weise aufgeladene Wassertropfen können Schutzschichten elektrisch durchschlagen und so die Korrosion von Metallen einleiten oder verschlimmern“, schreiben die Forschenden. Eine solche Aufladung von Tropfen durch Reibung kommt in der Natur vor, beispielsweise in Wolken, bei Gewitter, in Meereswellen oder Wasserfällen. Aber sie kann auch durch Kontakt der Tropfen mit menschengemachten Oberflächen oder bei industriellen Prozessen zustande kommen.
„Dieser zuvor übersehene Korrosionsmechanismus könnte daher zur Degradierung von Kulturerbestätten, Gebäuden, Schiffen, Autos und anderen Metallobjekten beitragen“, erklärt das Team. Gleichzeitig eröffnet diese Erkenntnis auch neue Möglichkeiten, solche Oberflächen besser als zuvor vor der Korrosion zu schützen.
Quelle: Zhongyuan Ni (Max-Planck-Institut für Polymerforschung, Mainz) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-026-10941-6
