接觸角

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：

γ_LG cos= γ_SG – γ_SL
W = γ_SG + γ_LG – γ_SL

整合可以得到：W = γ_LG ( 1 + cos)

其中 γ_SV 為固氣之間的表面張力(surface tension)、γ_LV為液氣之間的表面表面張力， γ_SL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, 1^st 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