接觸角及表面張力

接觸角是意指在液體/氣體介面接觸固體表面而形成的夾角。接觸角是由三個不同介面相互作用的一個系統。利用接觸角的大小可以判斷物質表面的親水或疏水程度，接觸角愈小，物質的親水度越好。最常見的概念解說是，一個小液滴在一單位橫向的固體表面，由楊格—拉普拉斯方程所定義的水滴的形狀，接觸角扮演了約束條件。接觸角測量可由接觸角量測儀所測得。接觸角並不限於液體/氣體介面；它同樣適用於兩種液體介面或兩種蒸氣介面。

典型接觸角

液體與固體的接觸角

物質的疏水性主要由表面張力（或表面能）決定。

在固體表面上的一液滴，若此液體受到固體表面之作用力甚強（強親水的固體的表面），液滴將會完全地平在固體表面上，而其接觸角約為0°。而強疏水性之固體，則接觸角則會較大，到約90°。在許多高親水性的表面上，水滴所表現自0°到30°。

若是固體表面為疏水，則接觸角將大於90°。對於高疏水性的表面，其對水的接觸角可高達150°或甚至近180°。在這種的表面上，水滴僅是停留在其上，而非真正對其表面浸潤，可稱之為超疏水，我們可以在適當氟化處理過（類鐵氟龍塗布）的表面觀察到，並可稱之為蓮花效應。這種新材料的表面之超疏水現象係基於與蓮葉表面相同之原理（葉面有許多小突起）甚至對蜂蜜都有超疏水之現象。接觸角因而也提供了表面與液體間作用力的資訊。

但有時候，接觸角也有可能指的並不是液/氣介面往液相的夾角，而是指液/氣介面往氣相的夾角，此時，上述的解釋角度為其互補角。

接觸角量測儀由威廉·濟斯曼（William Zisman）博士發明。目前，除了手動接觸角儀，也已發展出了各種利用CCD和軟體控制的全自動靜態接觸角量測儀及動態接觸角量測儀，測量應用也不僅局限於測量液體接觸角和表面能，還括展到表面張力的懸滴法（pendantdrop）和躺滴法（sessiledrop）測量等等其他技術中。新一代接觸角量測儀則可利用CCD攝像機和軟體自動獲取和分析液滴形狀。

高階的接觸角量測儀具備了可量測到奈米液滴甚至皮米液滴接觸角，高溫接觸角量測及濕度控制的能力。

表面張力（Surface tension）是種物理效應，是描述液體想要使自己表面積達到最小的趨勢。使得液體表面總是獲得最小的、光滑的面積，就像是一層彈性的薄膜。原因是液體的表面總是試圖達到能量最低的狀態。

廣義地所有兩種不同物態的物質之間介面上的張力被稱為表面張力。

在材料科學裡，表面張力也稱為表面應力和表面自由能。溫度及溶液濃度變化對水表面張力也會產生影響。

熱力學對表面張力係數的廣義定義為：表面張力係數σ是在溫度T和壓力p不變的情況下吉布士自由能G對面積A的偏導數：

 

吉布士自由能的單位是能量單位，因此表面張力係數的單位是能量/面積。

使用環、片、張力表或毛細現象可以測量表面張力。

人們也可以對懸著的液滴進行光學分析和測量來確定液體的表面張力係數。

測量方法包括片、柱、纖維、圓盤、管、錐體、球體等不同形狀的固體樣品與液體間的動態接觸角，包括:

毛細管法（精確度不高,是將毛細管插入液體中作測量）；掛環法（測量表面張力，藉由初始浸在液體的環從液體中拉出一個液體膜，及測量提高環的高度時所需要施加的力）； 威廉米平板法（Wilhelmy,適用於長時間測量表面張力。測量的量是一塊垂直於液面的平板在浸濕過程中所受的力）； 旋轉滴法（尤其適應於張力低的或非常低的範圍內。測量的值是一個處於比較密集的物態狀態下旋轉的液滴的直徑）; 懸滴法（介面張力和表面張力的測量包括可能測量液滴的幾何形狀）; 最大氣泡法（非常適用於測量表面張力隨時間的變化。測量氣泡最高的壓力）；滴體積法（非常適用於動態地測量介面張力。測量的值是一定體積的液體分成的液滴數量）

參考資料: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%8E%A5%E8%A7%B8%E8%A7%92