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接觸角(Contact Angle)

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接觸角(Contact Angle)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

接觸角是在固體表面上,氣體──液體界面與固體表面之間,往液體方向的夾角(圖一)。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(圖二)。

圖一、接觸角

圖二、接觸角與親水度之關係

圖片來源: http://www.hk-phy.org/atomic_world/lotus/lotus02_c.html

在一個典型的固液氣系統當中(例如固體表面上滴有一滴液珠),一般可以透過接觸角 (contact angle,) 的大小,來判斷兩物質之間的附著力(Adhesive force)大小。當接觸角越小的時候,代表液體與固體之間的附著力越高,也就是說液體的內聚力(Cohesive force)相較之下小些。此時由於液體分子傾向於附著在表面上,因此表面的液體分子密度較高,固液介面傾向於擴大,可以說是固體被浸潤(wet)了。接觸角並不限於液體/氣體界面;它同樣適用於兩種液體界面或兩種蒸氣界面。

例如水在親水性的表面上,溶液幾乎是平躺狀的(如C),此時液體本身的形狀遠離球體,其表面積相當大;而在較疏水的材質,例如會造成蓮花效應(lotus effect)的材質,溶液幾乎是珠狀,不太接觸表面,接觸角就相當大,而表面積則很小(如A)。而在毛細現象當中,水與玻璃管之間的附著力較內聚力高,因此水的液面呈現凹陷狀;而水銀的表面張力較大,因此其內聚力較附著力高,其液面便是凸起的。

在理想平整的固體表面上,接觸角  與每單位面積附著力所作的功W可以透過楊格──杜普雷公式(Young-Dupre Equation)求得:

γLG cos= γSG – γSL
W = γSG + γLG – γSL

整合可以得到:W = γLG ( 1 + cos)

其中 γSV 為固氣之間的表面張力(surface tension)、γLV為液氣之間的表面表面張力, γSL為固液之間的表面表面張力。可以看到,當接觸角越接近0° 時,所得到的功也越多。

圖三、接觸角參數

一般接觸角大於90°,表示固體表面為疏水,在高疏水性物質的表面, 對水的接觸角可高達150°-180°。若在平的疏水表面上加上凸塊,隨著表面變得凹凸不平,水和表面的接觸面積減少,接觸角很大,水珠變得越來越像球體,更加容易從表面上滾下,達到自動清洗的目的。

參考資料:
1. Atkins, P. W.; Jones, L. Chemical Principles: the Quest for Insight, 1st edition; W. H. Freeman and Company: New York, 1999, p. 201.
2. Wikipedia—Adhesive force  http://en.wikipedia.org/wiki/Adhesive_force
3. Wikipedia—Surface energy  http://en.wikipedia.org/wiki/Surface_energy
4. Wikipedia—Wetting  http://en.wikipedia.org/wiki/Wetting
5. 〈蓮花效應的原理〉,原子世界–蓮花效應。  http://www.hk-phy.org/atomic_world/lotus/lotus02_c.html

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