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(duì)于固體表面，由于其表面分子或原子失去了流動(dòng)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(shí)際固體表面的復(fù)雜性使得固體表面張力的測(cè)量計(jì)算較液體困難許多。基于Young方程的推導(dǎo)，使用接觸角測(cè)量法計(jì)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(duì)于聚合物等化學(xué)材料的接觸角測(cè)量和表面張力的定量計(jì)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(cè)量的準(zhǔn)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(shì)，運(yùn)用接觸角的差異對(duì)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(cè)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(cè)量了27個(gè)不同品種寶石材料的接觸角，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)條件(包括儀器設(shè)備)對(duì)接觸角測(cè)量準(zhǔn)確度的影響因素，例如被測(cè)樣品表面潔凈程度、測(cè)試液體種類、測(cè)試儀器裝置等。

當(dāng)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(shí)驗(yàn)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(cè)已有難度，需要破壞樣品進(jìn)行測(cè)試，且折射率等常規(guī)檢測(cè)方法對(duì)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(zhǔn)確鑒定的輔助檢測(cè)方法。目前，國內(nèi)外已具備大量成熟的表面張力動(dòng)態(tài)接觸角分析儀器，如德國KRUSS公司生產(chǎn)的型號(hào)為K12的動(dòng)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(cè)量儀、以及PCA系列便攜式/在線接觸角測(cè)量儀、ACA系列全自動(dòng)視頻接觸角測(cè)量儀以及美國FTA系列動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)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(yùn)用美國FTA200動(dòng)態(tài)接觸角測(cè)量儀，測(cè)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(lán)寶石、合成藍(lán)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(duì)覆膜處理的寶石與天然寶石的表面接觸角進(jìn)行對(duì)比研究，驗(yàn)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(cè)量方法，為寶玉石檢測(cè)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(duì)液體的吸引力小于內(nèi)部液相分子對(duì)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(dòng)縮小的趨勢(shì)，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(cè)得，通常是用液體在固體表面上的接觸角的大小來計(jì)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(dá)到平衡時(shí)，處于固體表面上的液滴會(huì)保持一定的液體形狀，這是體系在三個(gè)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(diǎn)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(gè)界面張力的平衡關(guān)系可以用Young方程表達(dá)：

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(rèn)為三相接觸線上的線張力可以忽略不計(jì)的理想狀態(tài)下的接觸角。但在實(shí)際的固體表面，通常測(cè)量得到的接觸角的值是在一個(gè)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(jì)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(jì)算得到γSG(固-氣界面張力)。

2.接觸角的測(cè)量方法

接觸角的測(cè)量方法根據(jù)直接測(cè)量物理量的不同可以分為量角法、透過法、測(cè)力法和長度法。量角法直觀，但測(cè)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(cè)力法運(yùn)用電子天平，讀數(shù)較精確，德國KRUSS公司的動(dòng)態(tài)表面能分析儀基于此方法設(shè)計(jì)制造；長度法形式之一的小液滴法(球冠)是當(dāng)液滴足夠小時(shí)，重力可以忽略，液滴是理想的球冠型，測(cè)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(cè)量h和r，可以根據(jù)公式(4)計(jì)算出接觸角θ。本次實(shí)驗(yàn)采用的芬蘭Kibron EZ-Pi Plus便攜式動(dòng)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(shí)際測(cè)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(duì)稱，因此會(huì)帶來一些誤差。

基于被測(cè)樣品的特點(diǎn)，寶玉石本身體積小，對(duì)測(cè)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。