什么是接触角

接触角可以通过在固体上滴一滴液体来测量。固/液界面与液/气界面之间形成的角度即为接触角。在实际操作中，最常见的方法是观察落差轮廓并测量三相线处形成的角度。杨方程用于描述界面处内聚力与粘附力之间的平衡，常作为表面能量分析的一部分。

接触角超过90°的落差通常被认为是疏水的。这种状况与湿润性差、粘附性差以及表面自由能降低有关。较小的接触角通常被认为是亲水的，反映出更好的润湿性、更好的粘附性和更高的表面能量。

Comparison of hydrophobic and hydrophilic droplet shapes.

静电接触角

静态接触角是最常见的接触角测量方式。它通常是从固定滴形成后不久捕获的单一读数，当系统在固、液、气三相之间达到平衡时。静态接触角为表面性质提供了宝贵的信息。它常用于评估清洁度及表面处理效果。有机污染可以抑制润湿，并在本应亲水的表面产生更高的接触角。随着表面的清洁或处理，接触角通常会随着润湿的改善和表面能量的增加而减小。例如，在半导体制造中，接触角常被用来表征硅晶圆的润湿性，并评估蚀刻、钝化、搅拌、清洗、氧化、结合、退火、抛光、底漆和树脂的影响。

Static contact angle measurement illustration.

表面粗糙度也会影响测量的接触角，这也是为什么接触角常与样品历史和表面状况的知识一起解释。

动态接触角

在落差或表面状况变化时测量的任何接触角都可以视为动态接触角测量。动态研究包括倾斜板测量、增加或减少滴体体积，以及随着系统演变跟踪接触角的时间依赖实验。动态接触角方法特别适合研究接触角的增进和后退、接触角滞后、吸收、蒸发以及环境或工艺条件引起的变化。

倾斜板法

在倾斜板法中，测量固定落差左右两侧的接触角，同时固体表面倾斜，通常从0°到90°不等。随着样品倾斜，重力使下坡接触角增加，上坡接触角减少。这两个测量值称为推进接触角和后退接触角。它们的区别在于接触角滞后。在某些情况下，水滴可能会从表面滚落;在其他地方，表面可能倾斜到90°而不释放。

Tilting plate contact angle illustration.

加减体积法

研究接触角的增减的另一种方法是动态地从固定滴中添加和移除液体。随着体积的增加，三相线前可达到的最大接触角即为前进角。然后可以去除音量以研究后退行为。当最大体积被移除且不拉回三相线时，相应的角度被用作后退角。前进角和后退角的区别在于接触角滞后。该方法常用于表征污染、表面化学异质性、拓扑结构以及处理剂、界面活性剂和溶质的影响。实际上，后退角度更难准确捕捉，因为抽液针会扰乱滴形几何形状。基于蒸发的后退角法常被用作替代方法。

Advancing and receding contact angle illustration for add and remove volume method.

时变研究

研究人员通常会随时间监测接触角，以研究吸收、蒸发以及湿润行为的变化。时间依赖实验还可以追踪接触角对环境变化（如温度和湿度）或测试液体本身变化的响应。这些研究也有助于观察如粗糙或纹理表面中的Cassie和Wenzel态等跃迁。在卡西状态下，落差停留在带有空气气泡的玻璃上。在温泽尔态中，液体填充粗糙度。这些状态会产生截然不同的表观接触角，是许多超疏水性研究的核心。

Cassie and Wenzel wetting state illustration.

威廉米板法

另一种测量接触角的方法是威廉米板法，即将板材放入液体中并从液体中抽出，同时测量板上的力。该方法比单滴法更复杂，需要更大的液体体积，依赖于精确制造且具有两个匹配表面的样品，且无法像滴状法那样直接表征异质性。它还需要精密的力测量系统。由于这些缺点对许多常见表面科学工作流程来说，拉梅哈特专注于光学接触角仪器，而非威廉米板系统