Es regnet auf den Gartenzaun, auf das parkende Auto, auf die Fassade des Denkmals. Tausende Male im Jahr. Dass diese Tropfen Metall angreifen können, ist bekannt – durch Reibung oder chemische Prozesse. Doch ein Forschungsteam um Hans-Jürgen Butt, Direktor am Mainzer Max-Planck-Institut für Polymerforschung, hat nun eine dritte, bislang unbekannte Ursache für Korrosion identifiziert: elektrisch aufgeladene Wassertropfen, die Beschichtungen durchschlagen wie winzige Blitze.
Die Entdeckung könnte weitreichende Folgen haben – für die Entwicklung von Lacken, den Schutz von Kulturgütern und die Haltbarkeit beschichteter Infrastrukturen. Denn überall dort, wo Wasser über Oberflächen gleitet und anschließend auf lackierte Metalle trifft, kann der Effekt auftreten.
„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", erklärt Rüdiger Berger, Gruppenleiter im Arbeitskreis „Physik an Grenzflächen" am Max-Planck-Institut für Polymerforschung. Der entscheidende Moment kommt, wenn ein solcher geladener Tropfen auf eine Beschichtung trifft: „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."
Um diesen Effekt nachzuweisen, entwickelte das Team in Zusammenarbeit mit Partnern der Universität Bonn, der South China University of Technology, dem MIT und der Johannes-Gutenberg Universität Mainz eine Serie von Laborversuchen. Die Forschenden ließen zunächst ungeladene Wassertropfen auf eine homogen mit Teflon beschichtete Oberfläche fallen – jenem Material, das aus Bratpfannen bekannt ist. Selbst nach dreitausend Aufprallen zeigten sich unter dem Mikroskop keinerlei Veränderungen.
Dann änderten sie das Experiment: Die Tropfen liefen nun vor dem Auftreffen über verschiedene Alltagsoberflächen – über das Blatt einer Zimmerpflanze, über PVC, über Polystyrol, wie es in Kunststofffenstern vorkommt. Beim Rutschen über diese Materialien luden sich die Tropfen elektrisch auf. Nach erneutem Auftreffen auf die Teflonbeschichtung zeigte sich nach dreitausend Tropfen ein drastisch anderes Bild: Unter dem Mikroskop waren nun 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, Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Polymerforschung. „Unabhängig davon konnten wir in allen Versuchen Veränderungen an der Beschichtung nachweisen."
Die Erkenntnis erweitert das bisherige Verständnis von Korrosion grundlegend. Bislang kannten Materialwissenschaftler zwei Hauptursachen für korrosive Prozesse an beschichteten Materialien: mechanische Belastung, bei der Reibung zwischen Tropfen und Oberfläche die Schicht allmählich abschleift oder zum Abblättern bringt, sowie chemische Prozesse, die vor allem dann einsetzen, wenn Tropfen Säuren oder Salze enthalten.
Mit der elektrischen Aufladung kommt nun ein dritter Mechanismus hinzu – einer, der in der Praxis deutlich häufiger auftreten dürfte als bislang vermutet. Überall dort, wo Regenwasser oder Tau zunächst über Blätter, Kunststoffe oder andere Materialien läuft, bevor es auf lackierte Metalloberflächen trifft, kann der Effekt wirksam werden. Das betrifft Gartenzäune ebenso wie Autos unter Bäumen, Brückengeländer in der Nähe von Vegetation oder Kulturgüter in Parks.
Die Forschenden, deren Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurden, hoffen nun, dass ihre Erkenntnisse den Weg für neue, effektivere Beschichtungen ebnen. Wenn klar ist, wie elektrische Entladungen Lackschichten durchschlagen, lassen sich Materialien gezielt so entwickeln, dass sie diese Form der Belastung besser abwehren. Das könnte die Haltbarkeit von Beschichtungen erheblich verlängern – und Kulturgüter, Fahrzeuge oder Infrastrukturen länger und effizienter schützen.
Der Blick richtet sich dabei auf die Chemie der Beschichtungen selbst: Welche Polymere leiten Ladungen kontrolliert ab, statt sie punktuell durchschlagen zu lassen? Welche Additive könnten die elektrische Leitfähigkeit so steuern, dass sich Tropfen sanft entladen, ohne Schaden anzurichten? Fragen, die nun mit neuem Verständnis angegangen werden können – weil sichtbar wurde, was bislang unsichtbar blieb: der winzige Blitz, der vom Tropfen ausgeht.
