“接觸角的測量” 常見問答 (FAQs)
1. 接觸角測量裝置能用于測量固體的表面自由能/表面能/表面張力嗎？
能，而且這是這類儀器的一大主要功能。
通過測量一種或多種不同屬性的液體在固體表面上的接觸角，就能從獲得的接觸角值以及所采用液體的（已知）屬性值，借助合適的理論模型計算出固體表面的表面自由能（或者稱為表面能或表面張力）。
由于固體表面的表面自由能不能夠通過實驗方法直接進行測量，所以通過接觸角測量的間接方法是目前可用來測量/估算固體表面自由能的少數方法之一。這一方法不但可以得到固體表面自由能的總值，還可以得到對應于分子間不同性質相互作用力的各自貢獻（組分），如非極性（dispersive）相互作用的組分值和極性相互作用（non-dispersive or polar）的組分值，這樣可以進一步了解固體表面的屬性，尤其是表面經過處理后（如通過等離子體處理后，表面極性相互作用的組分值往往會升高）。
2. 接觸角與液滴的體積大小有關系嗎？
這個問題最好分成二個來回答:
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接觸角與液滴的體積大小有顯著（比如幾度或以上）的關系嗎？
沒有，盡管學術文獻上和網絡上可以找到許多不同的答案。
隨著液滴體積的增大，重力對液滴形狀的影響也愈發明顯，使得液滴偏離球形（或球形一部分）的程度越來越顯著，但這一切并不應該對液滴在固體表面的接觸角自動產生影響。從熱力學的角度來看，接觸角的值取決于液體的表面張力、固體的表面自由能、液體/固體-之間的相互作用（液/固-界面張力）。在一定的條件（溫度、壓力、濕度、氣氛等）下，前面提及的三個量是一定的，所以接觸角的值也應該是一定的。但由于表面的不完美性，即使在指定的條件下，（所謂的靜態）接觸角的值往往也可以在一范圍內變化（接觸角的滯后效應），而非一定值（參見FAQ-CA 5），而體積不同的液滴可能展現這一范圍內不同的值，使得測量結果發生細微變化。至于體積不同的液滴是否會有一定的傾向（比如體積大的傾向于擁有這一范圍數值較大的接觸角值），這一點迄今還缺乏研究。
對于一定的體系，在一定的條件下，基本恒定的是體系的前進接觸角值。測量前進接觸角值的方法之一是采用液滴體積逐漸增大法（液滴體積增/減-法測量前進接觸角和后退接觸角）。從這里可以清楚地看到，隨著液滴體積的逐步增大，其前進接觸角值基本保持恒定，不會隨著液滴體積的增大而發生明顯的變化（微小的變化基本上是由于液滴在前進過程中與不同的表面位置發生接觸所致）。另外有許多學者在研究所謂的線因力（line tension）時，也采用了體積變化范圍（從幾微升到幾毫升）相當大的液滴在非常理想的固體表面上進行接觸角的測量研究，結果也表面接觸角值與液滴的體積大小基本無關。
那么為什么學術文獻上和網絡上可以方便地找到聲稱液滴的體積會對接觸角的值產生顯著影響的論述呢？這一現象的主要原因是由于作者所采用的計算方法的局限性。在20世紀90年代前，測量接觸角的方法包括寬高法、θ/2-法，半角法和圓擬合法等都是基于球（或圓?。┠Ｐ?，而真實的液滴由于受到重力的影響或多或少地偏離球的形狀：而且這一偏離程度隨著液滴體積的增大、接觸角值的增大和液體毛細管長度（capillary length）的減少而越來越顯著。偏離的幅度越大，通過基于各種球模型（或圓?。┯嬎惴椒ǖ玫降慕佑|角的值與實際值的偏差也越來越大，這就造成了（計算得到的）接觸角值隨著液滴體積的變化而發生顯著變化的現象，但其實發生變化的只是誤差值，而非實際的接觸角值。
即使到了今天，市場上的不少廠家制造的接觸角測量儀提供的還是基于球/圓模型的計算/測量方法，所以這一現象仍然在產生中。即使有些廠家引入了基于橢圓模型的計算方法，當接觸角的值比較大時，或者液滴體積不是很小時，或者采用的液體不同于水時，還是會制造這種計算得到的接觸角值隨著液滴體積發生變化的現象。
能夠準確描述中心軸對稱座滴（sessile drop）形狀的是Bashforth-Adams或Laplace-Young方程，所以只有基于這一方程的方法才能夠完美地擬合座滴的輪廓坐標，從而計算出與實際值一致的接觸角值。但這一方法直到20世紀90年代隨著計算機技術的發展才開始被普遍采用。
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接觸角與液滴的體積大小有細微（比如十分之幾度到1度）的關系嗎？
這是一個有不少學者已經研究過，但迄今還未取得統一意見的領域。有部分學者認為，在液/流/固-三相相接觸的液滴周邊緣線（wetting perimeter）上，存在一與表面張力相仿的所謂的一維線因力（line tension），這一力的存在產生了對體系總能量的額外貢獻，而且這一貢獻可正可負。所以隨著液滴體積的變化，這一額外份額（與周邊緣線長度成正比）對體系總能量貢獻的比例也將發生變化，體系為了維持最低的總能量狀態而導致液滴的接觸角值發生細微的調整/變化（可正可負）。
要驗證這樣的理論是非常不容易的，因為這一影響的幅度估計在十分之幾度左右，而對于一實際的體系，要想準確重復地形成液滴、然后準確地測量其接觸角值到0.1°是一件相當不容易做到的事。
3. 采用圓法、θ/2法、寬高法、半角法測量接觸角的誤差有多大？
圓法、θ/2法、寬高法和半角法都是基于球/圓模型的接觸角測量/計算方法，這些方法的假設前提是液滴的形狀是球的一部分，但這與真實的液滴不符。
真實液滴的形狀偏離球形狀的程度取決于液滴的體積，接觸角值的大小和液體的毛細管長度（capillary length）：隨著液滴體積的增大、接觸角值的增大和液體毛細管長度的減少，液滴偏離球形狀的程度越來越顯著。偏離的幅度越大，通過這些基于這些球/圓模型的接觸角測量/計算方法得到的值與實際值的偏離幅度也越來越大。在所有常用的測量液體中，水的毛細管長度（約2.73mm）是最大的，所以在相同條件（同液滴體積/同接觸角值）下，其它液體偏離球形狀的程度都要顯著地大于水滴。
總之采用這些方法引起的誤差可以從十分之幾度，大到30-40°。詳細內容可以參考：接觸角測量儀測量準確性的檢驗
4. 接觸角測量的準確性
請參考：接觸角測量儀測量準確性的檢驗
5. 靜態接觸角存在嗎? / 應該如何正確測量接觸角？
在進行接觸角測量時，我們會遇到一個最基本也是最根本的問題，如何進行接觸角的（正確）測量？
對于不少的用戶，或者我們中的幾乎每一個人在許多時候，上面的問題顯得有點可笑，因為在我們的觀念中，已經形成了一個比較穩固的模式：接觸角測量不妨就是在表面上形成（滴）一個液滴，然后對獲得的液滴圖像運用儀器提供的分析/計算方法進行測量？而且大家都知道這樣獲得的接觸角值通常被稱為靜態接觸角（static or as-placed contact angle）值。
在這里我們又遇到了一個在這一領域仍然存在的不少誤會：不少用戶非常關心接觸角測量的可重復性和準確性，但并不關心具體的測量步驟。這在很大程度上是基于這樣的出發點或假設：接觸角值就應該像如何一個其它的物理量（如溫度/壓力/長度等）一樣，它就在那里，而且（在給定的條件下）應該是一個定值，儀器的任務就是準確地測量這一值，然后把結果顯示出來。
但事實上，接觸角與其它的通常物理量有一個顯著的區別：它雖然就在那兒，但它的具體數值對于大多數的固體表面一般情況下不是一個定值，而是可以在一個范圍內游動，而且這一范圍對于不少表面往往還不是很窄（接觸角滯后性）。至于一個液滴在一固體表面在某一時刻展現哪一個具體的數值，不但與體系和條件有關，而且與這一液滴的形成方式，以及形成后的經歷有關。
對于一個給定的液體/固體表面-體系，基本不變的是接觸角值可以擁有的范圍（從最小值到最大值），而不是隨意在固體表面形成的一個液滴所體現的接觸角值，因為后者，在極端情況下，可能展示這一范圍內的任意一個值；在通常情況下，可以在一個不小的范圍內波動。
上面提及的這一范圍就是前進接觸角值（最大值）和后退接觸角值（最小值）。所以只有通過測量一個體系的前進/后退接觸角值才能夠最完整地表征一個液體在固體表面的潤濕性特征/特性。而我們平時所指的/所測量的所謂的（靜態）接觸角，雖然在多數情況下其數值接近于前進接觸角值，但其實不是一定值，會受到許多因素的影響。這些因素幾乎包括具體測量過程中的每一個細節，比如：
采用的液滴體積；
加液針管的內經/外徑，以及液體在其表面的潤濕性？
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液體是如何轉移到固體表面上的？
如果是通過接觸轉移：那么是通過針管下移還是樣品上移? 移動的速度是多少？移動的幅度是多大（或者針管端口與固體表面的最短距離是多少）？完成液體轉移后，移開的速度是多大?
如果是通過直接加液形成：那么加液的速度是多大？加液時，針管端口與固體表面的距離是多少？完成加液后，針管移開的速度是多大?
液滴形成后，等待多長時間開始進行測量？測量開始前或測量過程中，液滴有否受到任何的震動？
有人可能不同意上面的觀點，認為有點夸張，并且舉出實例，以表明平時盡管沒有顧及這一些，但獲得的（靜態）接觸角值的重復性也基本上在1-2度的范圍內。是的，在不少情況下確實如此，但其實這在很大程度上是由于我們每個人都有一套屬于自己的、基本固定的具體測量/操作步驟（至少對某一個具體的樣品是這樣）。但是如果我們來比較二個不同的人（不同實驗室之間），對同一個體系獲得的測量結果，就會發現，結果之間的差異往往會大得多，因為不同的人可能采用差異很大的測量/操作步驟，而其中的每一個細節都可能對最后展現出來的接觸角值帶來微小的影響。
所以在接觸角測量的專業領域，大家普遍認為，只是測量所謂的（靜態）接觸角值意義不大，因為它對于多數體系其實根本就不存在（因為沒有一個相應的、固定不變的值），而且所能提供的與潤濕相關的信息量也相當有限；只有通過測量包括前進接觸角和后退接觸角值的動態接觸角測量才能為表征待測體系的潤濕特性提供完整的信息：其中前進接觸角的值更多地與表面的低能量組分有關，而后退接觸角的值則對表面的高能量部分（結構）更敏感。在表面的老化/重組過程中（這通常發生在經過等離子體處理的表面），低能量組分趨向于排列到表面的最外層（以使得體系的總能量盡可能地低），但（表面處理時引入的）高能量結構或官/功能團并沒有消失，而是被隱藏在深一些的表層，它們的存在可以通過后退接觸角的測量被感知或反映出來。對于通過引入表面微觀（納米/微米）結構而裝備的超疏水性表面，如果我們只是通過測量簡單的（靜態）接觸角的值，就會忽略了表面粘性（adhesive）成分的存在，無法解析為什么（靜態）接觸角值相差不大的二個表面，會有完全不同的起始滑動角？
但在目前情況下，在測量儀器還無法自動、快速地完成動態接觸角測量的前提下，簡單的、（靜態）接觸角的測量至少在工業/生產領域還是有其存在的合理性。在這種情況下，用戶應該設定一套測量的標準步驟（SOP），盡量地把操作的每一步都固定下來，以提高接觸角測量的可重復性和（同一實驗室內的）相互可比性。對于科學研究領域，在進行這樣的測量時，應該盡可能詳細地給出測量/操作的具體步驟，使得其他人能夠更好地了解或重復測量的結果。
進一步閱讀：動態接觸角及其測量
6. 接觸角值的可重復性如何？
上面5中已經指出接觸角值的特點和具體測量步驟可能對獲得的所謂的靜態接觸角值的影響。
如果我們這里談論的是通常所謂的靜態接觸角值的重復性，那么由于它的具體數值可以受到測量過程的許多細節的影響，所以只有當這些有關測量步驟的細節固定下來時，才能比較準確地討論其重復性。
由于重復性首先與樣品表面有關，所以使得討論這一問題相當辣手，盡管許多用戶會提到這一問題。
如果假設涉及的是理想、完美的樣品表面，那么這里的重復性所指的純粹是測量方法的重復性。在這種情況下，目前好的儀器可以達到的測量測量重復性在0.1-0.3°。而這一結果也得到許多實際測量的支撐，有不少學者研究過液體在相當完美的固體樣品表面（同一晶面）的接觸角值，測量結果的重復性基本上符合這里提及的數值。
對于通常的樣品表面，我們遇到過的比較完美的工業產品表面的接觸角測量的可重復性在1°以內（接觸角值在100-120°范圍），這一重復性包括前進接觸角測量的可重復性和采用固定操作步驟而獲得的所謂的靜態接觸角值的可重復性。但我們也時常遇到一些樣品，即使同樣采用固定操作步驟，獲得的靜態接觸角值的可重復性或波動幅度在3-5°。
對于普通的表面，如果其接觸角滯后性的幅度在幾十度的范圍，一般情況下，前進接觸角值的可重復性要比通過簡單測量獲得的靜態接觸角值的可重復性好得多。后者的可重復性，即使采用固定操作步驟，在很大程度上取決于難免存在的、微小的操作上的差異可能對液滴最后展現的接觸角值的影響，而這又與樣品本身的屬性緊密相關。
另外，前面討論的結論都是基于樣品表面屬性基本均勻（化學/物理/幾何均勻性）的前提。如果樣品表面本身就不符合這一前提，那么測量得到的數值的波動幅度不但包含了前面提及的測量的因素，更是包括了樣品表面本身的屬性波動，這也是為什么通過測量液滴在固體表面不同位置上的接觸角值，可以樣品對表面均一性或不均一性進行表征的基礎。
7. 測量得到的接觸角值與哪些因素有關？
首先測量得到的接觸角值與樣品表面的屬性有關，這也是測量接觸角的意義和用途，具體請參見：影響接觸角值的因素
其次，得到的接觸角測量值的還與具體的測量/操作步驟有關（FAQ-CA 5和6），而后者對測量結果的可能影響（幅度）又緊密地與前面提及的表面本身的屬性相關。
8. 測量接觸角的液滴體積多大比較合適？
在FAQ-CA-2中我們已經回答了有關接觸角測量值是否與液滴的體積大小有關系的問題: 答案是基本上沒有關系。那么平時在測量時應該采用多大體積的液滴比較合適呢？
首先考慮二種特殊/極端情況：
樣品表面可供測量的面積相當有限，比如在有些電路板（PCB）上的測量，可供測量面積可能小至1mm2（甚至以下)。在這種情況下，只能采用足夠小體積的液滴，以能夠實現測量為首要目標。在這種情況下，必要時，液滴的體積可以小至納升級，但需要相應光學系統和加液系統的配合，而且在這種情況下，液滴在瞬間后就揮發/蒸發消失，所以一般得通過先錄像、再對錄像進行分析計算的方法來進行測量。
希望通過測量來分析樣品表面的（二維）均勻性（或非均勻性）。此時液滴的體積應根據樣品表面需要測量的尺寸和希望達到的位置分辨率來選擇：需要測量的尺寸越小，位置分辨率要求越高，就應該采用較小體積的液滴進行測量。
在其它情況下，如果樣品的表面面積對液滴的尺寸不構成限制，那么液滴的體積就不應該選擇的太小，因為：
液滴體積太小，會因為揮發/蒸發而迅速地減小體積，導致其形狀和接觸角值發生變化；
液滴體積太小，與樣品表面發生接觸的面積也?。ɑ蚪佑|點數也少），表面上任何微小的缺陷或不均勻性將對液滴的接觸角值造成較大的影響。但真正對接觸角值起到決定作用的只是液體與表面（以及氣相）形成的三相接觸周邊線（triple-phase contact line）上的作用力，液滴下面所覆蓋的表面面積（surface area）的屬性對接觸角值基本上不產生影響。
液滴體積太小，如果沒有足夠大的光學放大倍數的配合，得到的液滴圖像較小，將影響接觸角值分析/計算的精度和準確度。
所以一般情況下，以3-10微升為比較合適。同時需要考慮接觸角的值和儀器的視野范圍：接觸角值比較低時，可以采用體積較小的液滴；接觸角值越高，越適合采用尺寸較大的液滴。不少專業文獻建議采用體積至少在10微升以上的液滴進行測量。
9. 影響接觸角值的因素？
大家通過測量液體在固體表面上的接觸角值，希望通過獲得的數據來表征固體表面的潤濕性和液體與固體表面之間的相互作用。所以決定接觸角值大小的首先是體系本身的屬性，這個體系包括液體/固體表面/氣氛（如空氣相）。當液體和氣氛一定時，我們希望接觸角值只與固體表面（的屬性）相關，這樣就能夠通過接觸角值的測量來推斷固體表面的屬性。
但事實上還有許多因素\可能對測量得到的接觸角值產生影響：
接觸角值的滯后性：上面已經提及，對于一給定的實際體系，由于表面的不完美性（包括化學/物理/形貌上的不完美性），其可以體現的接觸角值一般是一個范圍，而非一個特定的值。液滴具體展現這一范圍中的哪個值，與液滴的形成方式和它在形成后的經歷有關。所以測量的具體步驟和方式將對結果產生影響，為了提高測量的可重復性，應該設定一套統一的測量步驟，或者更好地通過動態接觸角的測量獲得接觸角值的范圍。只有后者才能提供最完整的有關固體表面屬性的信息。
周圍環境的影響，這包括測量時的溫度，壓力，以及氣相（氛）的組成（化學組成/相對濕度等）。
表面上可能存在的靜電。靜電非常容易產生在非導體表面上（如高分子表面），而表面上的靜電與液滴之間的（額外）作用力將對接觸角值產生（明顯）影響，所以在測量前通過合適的手段（比如運用去靜電槍），去除表面上的靜電是確保得到的接觸角值能夠反映其真實值的重要環節。
樣品表面在測量前的狀態（pre-conditioning）。在測量前，確保讓樣品表面獲得統一的狀態，比如通過在同樣的條件下（一定的氣氛和溫度下）放置相同的時間，也是重要的一環，因為只有這樣才能保證樣品表面的組分和分子得到同樣的機會以進行調整和重排，而這些均會對接觸角的值產生影響。
測量用液體的純度。在前面已經提及，接觸角的值應該由 ?液體/固體表面/氣相“ 所決定，我們希望在液體和氣相相同的情況下，通過測量得到的接觸角值來表征固體表面的屬性，而這一前提是液體相維持恒定。如果由于某種原因（污染/純度變化/變質等），測量用的液體相發生變化，這勢必也將影響得到的接觸角值。而與接觸角值關系最緊密的液體屬性是它的表面張力值，后者很容易由于受到污染或由于純度發生變化而變化。所以非常有必要不時地通過對測量用液體的表面張力值的測量，來控制/確保采用的液體的質量。而準確測量液體表面張力值很容易通過儀器提供的光學懸滴法來完成（甚至可以在接觸角測量前的前一瞬間同時完成）。
樣品表面受到污染。接觸角值對表面非常敏感，它的敏感性甚至高于任何其它的表面表征手段（如XPS），因為它只與表面最外層的約1 nm的厚度屬性有關系，而其它的表面表征手段感知的更 ?深入“些（比如XPS能夠感知到約10nm的深度）。也就是說，能夠影響接觸角值的只有表面最外層的一個約1 nm厚度的薄層，在這一薄層以下的表面結構和屬性將不再對決定接觸角值作出什么貢獻。所以樣品表面上任何微小的污染，雖然它的量從樣品總量來說是如此地微不足道，也可能對接觸角的值產生明顯地影響，而這些影響將不可能被樣品的其它未受污染部分所稀釋（所平均）。
最后需要提及的還有樣品表面的微結構。除了樣品表面的化學/物理屬性外，表面的微結構（包括粗糙度）將對接觸角的值以及其滯后性生產顯著影響。這也是通過接觸角測量來表征這些微觀結構的原理。
10. 有哪些不同的接觸角值？
由于真實樣品表面的不完美性，導致接觸角滯后性的存在，而這又決定了對于一個同樣的體系，接觸角的值不是唯一的，而是一個范圍。當在樣品表面形成一個液滴時，其具體展現哪一個（這一范圍內的）值，與具體的形成方式和其后的經歷有關，這就導致了明目眾多的接觸角值和概念，如
靜態接觸角，平衡接觸角，楊氏接觸角，（靜態/動態）前進接觸角，（靜態/動態）后退接觸角，動態接觸角等。
有關的詳細討論請參見：動態接觸角及其測量
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