Durante décadas, a explicação para a corrosão provocada pela chuva pareceu relativamente simples: a água transporta sais e ácidos, as gotas desgastam as camadas protetoras e o oxigénio desencadeia as reações que acabam por degradar o material.
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É também com base nessa ideia que são desenvolvidos muitos dos métodos utilizados para proteger superfícies, como tintas, películas de polímeros ou revestimentos de óxido.
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Mas uma equipa de investigadores descobriu que pode existir outro fenómeno envolvido — e tem uma componente elétrica.
Segundo a Ars Technica, um estudo liderado por Zhongyuan Ni, Rüdiger Berger e Hans-Jürgen Butt, do Instituto Max Planck para a Investigação de Polímeros, em Mainz, na Alemanha, demonstrou que as gotas de água podem acumular uma carga elétrica suficientemente elevada para atravessar um revestimento isolante.
Não se trata simplesmente de a água riscar ou dissolver progressivamente a proteção. Em determinadas condições, a descarga elétrica pode abrir uma pequena perfuração no revestimento, de forma semelhante ao que acontece quando uma faísca atravessa um espaço.
O fenómeno está relacionado com aquilo que os cientistas designam por “eletrização por deslizamento”, um processo que só recentemente começou a ser quantificado de forma mais detalhada.
Quando uma gota de água desliza por uma superfície isolante — como uma folha, uma parede pintada, uma janela de vidro ou uma placa de plástico — ocorre uma separação de cargas. A gota retira parte da carga da superfície e fica com uma carga de sinal contrário.
E os valores podem ser surpreendentemente elevados. Segundo a Ars Technica, já foram medidas gotas que adquiriram tensões de até 9.000 volts através deste processo.
A equipa quis perceber o que aconteceria quando uma dessas gotas carregadas atingisse posteriormente outra superfície.
Para isso, os investigadores utilizaram gotas de água com 35 microlitros, aproximadamente equivalentes a uma gota de chuva de grandes dimensões. A água continha uma pequena quantidade de sal, numa tentativa de reproduzir algumas das características da chuva.
As gotas foram libertadas sobre uma superfície inclinada 50 graus. Percorreram cerca de quatro centímetros, ganharam carga elétrica, passaram pela extremidade da superfície e caíram cerca de cinco milímetros sobre uma placa de cobre protegida por uma película de Teflon com apenas 60 nanómetros de espessura.
O Teflon foi escolhido por ser um dos materiais comercialmente disponíveis com elevada resistência química.
Os investigadores procuraram também utilizar materiais que fossem próximos daqueles que podem ser encontrados no mundo real.
Uma das superfícies inclinadas era uma folha de Tradescantia spathacea, uma planta que crescia num dos escritórios da equipa.
Outra consistia numa placa de espuma de PVC comprada numa loja de materiais de construção. A terceira era uma folha transparente de poliestireno utilizada como material para vidros de janelas.
A quarta superfície, um revestimento fluorinado aplicado sobre quartzo, tinha uma natureza mais experimental.
A quantidade de carga adquirida pelas gotas variou entre 0,2 nanocoulombs, no caso da folha, e dois nanocoulombs no quartzo revestido. Uma carga desta dimensão numa gota de água pode corresponder a vários milhares de volts.
Depois de 3.000 gotas atingirem cada placa — quantidade que os investigadores consideraram aproximadamente equivalente a uma tarde de chuva moderada — o cobre apresentava sinais de corrosão por baixo das quatro superfícies testadas.
A microscopia de força atómica revelou pequenas cavidades com vários nanómetros de profundidade nas zonas atingidas pelas gotas. Algumas dessas cavidades ultrapassavam a espessura total da película de Teflon, demonstrando que os danos tinham atravessado o revestimento e chegado ao cobre.
O resultado foi diferente quando as gotas caíram diretamente sobre a placa, sem primeiro deslizarem pela superfície e adquirirem carga elétrica. Depois dos mesmos 3.000 impactos, não foram observados danos semelhantes.
Para perceber o que estava a acontecer, os investigadores recorreram a câmaras de alta velocidade.
As imagens mostraram uma diferença clara entre gotas neutras e gotas eletricamente carregadas.
Quando uma gota sem carga se aproximava da placa de cobre, mantinha uma forma arredondada e relativamente lisa até tocar na superfície.
As gotas carregadas comportavam-se de maneira diferente. Pouco antes do contacto, a parte inferior começava a deformar-se e adquiria uma forma pontiaguda conhecida como cone de Taylor.
Esta estrutura aparece quando as forças eletrostáticas se tornam suficientemente fortes para superar a tensão superficial do líquido.
Para a equipa, a deformação constituía uma indicação de que o campo elétrico existente entre a gota e a superfície metálica tinha atingido uma intensidade significativa.
E quanto menor fosse a distância entre a gota e a placa, maior se tornava esse campo.
Os cientistas desenvolveram um modelo em que a gota era tratada como uma esfera condutora colocada diante de uma superfície condutora. A partir daí, calcularam como o campo elétrico se comportaria à medida que a distância diminuísse.
Os resultados foram particularmente relevantes para o Teflon.
Uma gota com uma carga de dois nanocoulombs poderia produzir um campo de cerca de 60 quilovolts por milímetro, valor correspondente ao limite de rutura elétrica do Teflon.
Isto significa que o revestimento deixa de conseguir funcionar como isolante.
E o fenómeno pode acontecer antes de a gota tocar fisicamente na superfície: no modelo dos investigadores, essa intensidade era atingida quando ainda existiam aproximadamente 10 micrómetros entre a gota e a placa.
No poliestireno, cujo limite de rutura é de cerca de 19 quilovolts por milímetro, a descarga poderia ocorrer quando a gota ainda estivesse a cerca de 50 micrómetros da superfície.
Quando o limite é ultrapassado, ocorre uma pequena rutura dielétrica. É um mecanismo semelhante ao que pode provocar danos em condensadores ou no isolamento de transformadores.
As medições realizadas pela equipa indicaram que a transferência de carga era quase completa. Uma gota que chegasse ao cobre com dois nanocoulombs depositava cerca de 1,8 nanocoulombs no metal durante o impacto e afastava-se com apenas 0,016 nanocoulombs — menos de 1% da carga original.
O efeito também depende da espessura da camada protetora.
Os investigadores verificaram que películas de poliestireno com apenas 12 micrómetros conseguiam ser perfuradas pelas descargas, enquanto materiais com 130 micrómetros de espessura resistiam.
A diferença é importante porque muitas das tintas e películas utilizadas para proteger superfícies têm apenas alguns micrómetros de espessura.
De acordo com os investigadores citados pela Ars Technica, cargas na ordem dos nanocoulombs podem ser suficientes para atravessar muitos desses revestimentos.
Depois de o revestimento ser perfurado, o metal que estava protegido fica exposto à gota de água salgada e sujeito a um novo potencial elétrico.
A partir desse momento, as reações eletroquímicas responsáveis pela corrosão conseguem atuar diretamente na superfície metálica.
Os investigadores analisaram os materiais resultantes desse processo através de espectroscopia Raman e difração de raios X.
No cobre, identificaram óxido cuproso e cloreto cúprico básico, este último associado à tonalidade verde clara que pode ser observada em telhados de cobre antigos e degradados.
O estudo das zonas afetadas revelou ainda a presença de oxigénio e cloro, enquanto elementos provenientes do próprio Teflon, como flúor e carbono, diminuíram. O padrão é compatível com a degradação do revestimento.
O fenómeno não afeta apenas o metal.
Os investigadores descobriram que o próprio polímero pode sofrer alterações químicas quando é atingido por gotas carregadas.
Películas de poliestireno expostas a estas gotas desenvolveram zonas rugosas que apresentavam fluorescência verde quando iluminadas por um laser — algo que não acontece normalmente com o poliestireno.
Uma análise de infravermelhos à escala nanométrica permitiu associar essa fluorescência ao aparecimento de novas ligações químicas entre carbono e carbono e entre carbono e oxigénio.
Para os investigadores, os resultados são compatíveis com uma espécie de transformação provocada pela energia elétrica, que altera a composição do material.
A equipa quis também perceber a velocidade a que o revestimento perdia eficácia.
Para isso, realizou medições de impedância depois de diferentes quantidades de gotas atingirem a superfície.
O resultado mostrou que 10.000 gotas carregadas reduziram as propriedades de barreira do Teflon mais do que quatro horas de contacto contínuo com água salgada.
A comparação foi escolhida porque quatro horas correspondem aproximadamente ao tempo acumulado durante o qual as gotas deixam a superfície molhada no cenário utilizado pelos investigadores.
E há outro detalhe preocupante: depois de o processo de degradação começar, tende a acelerar.
Uma zona já danificada passa a reter mais água e permanece húmida durante mais tempo. Com isso, a área afetada aumenta progressivamente.
Após 50.000 impactos, a região corroída já ultrapassava um milímetro de diâmetro.
Num dos testes finais, os investigadores construíram uma superfície constituída por dois terços de quartzo e um terço de cobre. Toda a estrutura recebeu uma camada uniforme de Teflon, de modo a esconder completamente a fronteira entre os dois materiais.
Mesmo assim, as gotas carregadas acabaram por provocar corrosão precisamente ao longo da zona onde o quartzo e o cobre se encontravam.
A explicação está na forma como a carga elétrica interage com os materiais.
Uma gota carregada não responde apenas à superfície em contacto direto com ela. Também é influenciada por materiais que estejam suficientemente próximos para fornecer uma carga de sinal contrário.
No quartzo, que não possui cargas livres como um metal, o campo elétrico permanece relativamente fraco.
Quando a gota se aproxima da região onde existe cobre, os eletrões livres do metal conseguem deslocar-se e reorganizar-se. Forma-se então uma carga oposta imediatamente por baixo do revestimento.
O campo elétrico entre a gota e o cobre aumenta rapidamente, enquanto o Teflon fica entre ambos.
É precisamente aí que pode ocorrer a rutura elétrica.
Para os autores, a descoberta pode ter consequências muito para além da corrosão de uma simples placa metálica.
O fenómeno poderá ser relevante em materiais compósitos nos quais exista um elemento condutor ou com elevada permissividade elétrica dentro de uma matriz isolante.
Entre os exemplos apontados estão pontes, cascos de navios, estruturas de aço pintadas, caixas de polímero utilizadas em equipamentos eletrónicos exteriores e elementos metálicos de edifícios históricos.
Em todos estes casos, uma camada aparentemente protetora pode não estar tão isolada da água como se pensava.
E as gotas carregadas não são exclusivas da chuva.
Segundo os investigadores, cargas deste tipo formam-se naturalmente em nuvens, tempestades, ondas do mar, fontes e cascatas. Também podem surgir em processos industriais, como a pulverização eletrostática e a impressão por jato de tinta.
Ou seja, o mecanismo agora descrito poderá estar a acontecer em muitos contextos sem que tivesse sido devidamente medido ou reconhecido.
Os resultados indicam que aumentar a espessura dos revestimentos pode ser uma forma de reduzir o risco.
As películas de poliestireno de 130 micrómetros resistiram porque, para a mesma tensão elétrica, aumentar dez vezes a distância faz diminuir a intensidade do campo para valores que o material consegue suportar.
Mas tornar os revestimentos mais espessos nem sempre é possível.
Películas utilizadas em aplicações óticas precisam de manter a transparência. Os revestimentos destinados a aeronaves têm de ser leves e flexíveis. E as barreiras utilizadas em equipamentos eletrónicos exteriores são frequentemente finas por razões de design.
Por isso, a solução poderá passar por uma mudança na forma como estes materiais são concebidos.
Em vez de escolher um revestimento apenas pela sua resistência química, os investigadores defendem que também deveria ser considerada a sua capacidade para suportar campos elétricos intensos provocados por gotas carregadas.
A descoberta sugere, assim, que a chuva pode ter uma componente elétrica até agora subestimada na degradação dos materiais — e que algumas das proteções utilizadas atualmente poderão estar a ser avaliadas com base apenas em metade do problema.
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