表面張力是固體表面重要的物理化學(xué)參數(shù)之一，其大小與溫度和界面兩相物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。對于固體表面，由于其表面分子或原子失去了流動性，使得其表面存在微觀凹凸不平、孔隙等幾何不均一性，且實際固體表面的復(fù)雜性使得固體表面張力的測量計算較液體困難許多。基于Young方程的推導(dǎo)，使用接觸角測量法計算固體表面張力被廣泛應(yīng)用于表面科學(xué)和工程領(lǐng)域，前人對于聚合物等化學(xué)材料的接觸角測量和表面張力的定量計算亦有較多研究和應(yīng)用。

在珠寶玉石鑒定領(lǐng)域，由于寶玉石材料多具有光潔的表面，在接觸角測量的準確性方面較其他表面不均一的固體材料具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，運用接觸角的差異對于不同品種的寶玉石鑒定應(yīng)有較好的判別性；且這種物理測試技術(shù)不破壞樣品，符合寶玉石無損鑒定的基本原則。1977年，Nassau等為了區(qū)分鉆石與其他仿制品，測量了27個不同品種寶石材料的接觸角，實驗結(jié)果表明接觸角的差異能夠清晰地區(qū)分鉆石及其他仿制品，如合成立方氧化鋯(CZ)、釓鎵榴石(GGG)、釔鋁榴石(YAG)等，分析了實驗條件(包括儀器設(shè)備)對接觸角測量準確度的影響因素，例如被測樣品表面潔凈程度、測試液體種類、測試儀器裝置等。

當前珠寶玉石表面處理技術(shù)日漸成熟，市場上各種覆膜、鍍層等經(jīng)表面處理的珠寶玉石材料，給實驗室鑒定帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，某些樣品利用通常的紅外光譜儀器檢測已有難度，需要破壞樣品進行測試，且折射率等常規(guī)檢測方法對于特定的寶玉石品種鑒定也有不同程度的困難，急需尋找新方法解決疑難問題。而開發(fā)利用珠寶玉石的表面性質(zhì)，分析理解天然、合成及優(yōu)化處理珠寶材料的表面張力性質(zhì)差異，可作為珠寶玉石準確鑒定的輔助檢測方法。目前，國內(nèi)外已具備大量成熟的表面張力動態(tài)接觸角分析儀器，如德國KRUSS公司生產(chǎn)的型號為K12的動態(tài)表面能分析儀、德國Dataphysics公司推出的OCA系列視頻光學(xué)接觸角測量儀、以及PCA系列便攜式/在線接觸角測量儀、ACA系列全自動視頻接觸角測量儀以及美國FTA系列動態(tài)接觸角測量儀，并已廣泛應(yīng)用于材料學(xué)表面物性研究領(lǐng)域。

本文運用美國FTA200動態(tài)接觸角測量儀，測試了鉆石、鍍膜鉆石、合成碳硅石、合成立方氧化鋯(CZ)、紅寶石、合成紅寶石、藍寶石、合成藍寶石、橄欖石、透輝石、長石、黃水晶、碧璽、充填碧璽、托帕石、覆膜托帕石、翡翠、覆膜翡翠、琥珀、覆膜琥珀21粒寶玉石的表面接觸角，對覆膜處理的寶石與天然寶石的表面接觸角進行對比研究，驗證表面接觸角和表面張力在寶玉石鑒定中的可行性，擬嘗試性開發(fā)一種珠寶玉石表面物性測量方法，為寶玉石檢測提供鑒定依據(jù)。

1.表面張力和接觸角的關(guān)系

1.1表面張力

表面張力是液體表面層由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力。通常，由于環(huán)境不同，處于界面的分子與處于相本體內(nèi)的分子所受力是不同的。上層空間氣相分子對液體的吸引力小于內(nèi)部液相分子對它的吸引力，所以該分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液體內(nèi)部，結(jié)果導(dǎo)致液體表面具有自動縮小的趨勢，這種收縮力稱為表面張力。表面張力是物質(zhì)的特性，其大小與溫度和界面兩相物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。

固體的表面張力不宜測得，通常是用液體在固體表面上的接觸角的大小來計算。接觸角法操作簡單，應(yīng)用廣泛，是目前估算表面張力最常用的方法。

1.2接觸角和Young方程

將少量液體滴在固體表面，液體可能形成液滴，在達到平衡時，處于固體表面上的液滴會保持一定的液體形狀，這是體系在三個界面張力平衡作用下的結(jié)果。接觸角是指在氣、液、固三相交點處所作的氣-液界面的切線穿過液體與固-液交界線之間的夾角θ，是潤濕程度的量度。如圖1所示。

圖1液體在固體表面的接觸角

固-氣、液-固、液-氣這三個界面張力的平衡關(guān)系可以用Young方程表達：

式中，γSG、γSL和γLG分別表示固-氣、液-固、液-氣界面張力，θ為接觸角。

Young方程中的接觸角是在假定固體表面光滑、化學(xué)均質(zhì)、剛性、各向同性且無化學(xué)反應(yīng)，并且認為三相接觸線上的線張力可以忽略不計的理想狀態(tài)下的接觸角。但在實際的固體表面，通常測量得到的接觸角的值是在一個范圍內(nèi)，并不是唯一的值。朱定一等在分析總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出計算固體表面張力的新方法。通過建立有限液-固界面體系的張力平衡，推導(dǎo)出在無限液-固界面系統(tǒng)中，液-固界面張力和固相表面張力的關(guān)系式：

式(2)、(3)表明γSG、γSL僅是液相表面張力γLG和接觸角θ的函數(shù)，只要知道一種液體的γLG和這一液體在固相表面的接觸角θ就可以計算得到γSG(固-氣界面張力)。

2.接觸角的測量方法

接觸角的測量方法根據(jù)直接測量物理量的不同可以分為量角法、透過法、測力法和長度法。量角法直觀，但測試結(jié)果受操作者影響，誤差較大；透過法適用于固體粉末；測力法運用電子天平，讀數(shù)較精確，德國KRUSS公司的動態(tài)表面能分析儀基于此方法設(shè)計制造；長度法形式之一的小液滴法(球冠)是當液滴足夠小時，重力可以忽略，液滴是理想的球冠型，測量在固體平面上小液滴的高度(h)和寬度(2r),二者關(guān)系可以表示為如下公式：

ｓｉｎθ＝２ｈｒ／（ｈ２＋ｒ２） （４）

通過測量h和r，可以根據(jù)公式(4)計算出接觸角θ。本次實驗采用的芬蘭Kibron EZ-Pi Plus便攜式動態(tài)表面張力儀。該方法受操作者影響較小，誤差小，但公式(4)需滿足一些假設(shè)條件，這些條件在實際測量中可能無法滿足，如液滴的體積不是非常小，重力影響不能忽略，液滴在粗糙表面、多相表面的接觸角不是軸對稱，因此會帶來一些誤差。

基于被測樣品的特點，寶玉石本身體積小，對測試液滴的尺寸要求較小，且寶玉石表面經(jīng)過拋光后較為光滑，可能造成的誤差較小。