1.4 光滑表面上的接触角

在洁净的玻璃板上放一滴水银，它能够滚来滚去而不附着在玻璃板上；同样把一块洁净的玻璃板浸入水银里再取出来，玻璃上也不附着水银。这种液体不附着在固体表面上的现象叫做“不浸润”。对于玻璃来说，水银是不浸润液体。相反，在洁净的玻璃上放一滴水，它会附着在玻璃板上形成薄层。把一块洁净的玻璃片浸入水中再取出来，玻璃的表面会沾上一层水。这种液体附着在固体表面上的现象叫做“浸润”。对玻璃来说，水是浸润性液体。同一种液体对一种固体来说是浸润的，对另一种固体来说可能是不浸润的。例如水能浸润玻璃，但不能浸润石蜡；水银不能浸润玻璃，但能浸润锌。

固体表面的浸润性质是一个非常复杂的问题，除了与表面的化学组分密切相关外，还受到基底的表面微结构的影响。为了定量地表征固体表面的浸润性质，我们引入了杨氏接触角θY，这一概念最早由托马斯·杨所提出。如图1-11所示，当一滴水放置在光滑的固体表面上时，液体形成一个类似于球冠的形状，此时整个系统分成固体、液体和气体三相。杨氏接触角就定义为固/液/气三相交界面处固/液界面和液/气界面之间的夹角，该夹角可以客观地反映液体与固体表面的作用强度。如图1-11（a）所示，对于这一光滑表面上的一个液滴，如果其接触角小于90°，则称此表面为“亲水表面”，它具有亲水或吸引水的性质；如图1-11（b）所示，如果θY大于90°，则称此表面为“疏水表面”，它具有斥水或排水的功能。特别地，当θY大于150°时，一般称这种固体表面为“超疏水表面”。

图1-11 光滑基底上的液滴（彩图附后）（a）基底亲水，θY＜90°；（b）基底疏水，θY＞90°

一般来说，自然界中的绝大部分固体表面天然就是亲水的。下雨时，我们会发现雨滴很容易粘在玻璃上而不掉下来；把一滴水滴在桌面上时，其接触角通常小于90°。具备疏水性的物质相对较少，其中的超疏水的材料对于工程应用具有重要意义，例如对于下雨天的雨衣、雨伞，汽车车窗的玻璃等，我们希望雨水打到它们上面后完全不润湿，自然地形成水珠而落下。

1805年，英国科学家托马斯·杨给出了著名的杨氏方程，以描述光滑基底上液滴的接触角与表面张力之间的关系：

式中γSV、γSL和γ分别为固/气、固/液、液/气界面的界面张力。很显然，这一表达式实际上就是三个界面张力在水平方向上的平衡方程（图1-12）。那么留下一个问题请读者朋友们进行思考：竖直方向上三个力的关系是什么？

图1-12 液滴的杨氏接触角