润湿与接触角 日常现象与核心概念引入 。观察水滴在荷叶上形成水珠，而在清洁的玻璃上则铺展开。这两种截然不同的行为，其物理本质是液体对固体表面的 润湿 能力不同。润湿描述了液体在固体表面铺展或附着的趋势。为了定量描述润湿程度，我们引入 接触角 。接触角定义为：在固体、液体、气体三相的交界点（三相线），沿液-气界面切线方向与固-液界面之间的夹角，通常记为θ。 杨氏方程与力学平衡 。对于一个静止在理想光滑、均匀、平坦固体表面上的液滴，在达到平衡时，其接触角满足 杨氏方程 （Young's Equation）。该方程来源于三相线处表面张力的力学平衡。三个作用力分别是：固体表面张力（γ_ sv，倾向于使液滴铺展，对抗液体）、固体-液体界面张力（γ_ sl，倾向于使液滴收缩）和液体表面张力（γ_ lv，即液-气界面张力，也倾向于使液滴收缩）。平衡时，水平方向合力为零：γ_ sv = γ_ sl + γ_ lv·cosθ。由此可得 cosθ = (γ_ sv - γ_ sl) / γ_ lv。此式是润湿现象最基础的定量关系。 接触角的判据与分类 。根据接触角的大小，我们将润湿行为分为几类： 完全润湿 ：θ = 0°。液体在固体表面自发铺展成薄膜，如酒精在玻璃上。 部分润湿 ：0° < θ < 90°。液体倾向于铺展，但形成有明确边缘的液滴，如水在清洁的塑料上。通常认为θ < 90°即为 亲液/亲水 （针对水而言）表面。 不润湿 ：90° < θ < 180°。液体倾向于收缩成球状，如水银在玻璃上。通常认为θ > 90°即为 疏液/疏水 表面。 完全不可润湿 ：θ = 180°。理论上液体呈完美球体，仅有一个点接触固体，现实中极难实现。荷叶上的水滴θ可达150°以上，称为 超疏水 表面。 影响接触角的因素 。实际体系的接触角受多种因素影响，偏离理想杨氏方程所描述的状态： 表面粗糙度 ：粗糙表面会放大其本征的润湿性。Wenzel模型指出，粗糙表面的表观接触角θ_ w与实际光滑表面的本征接触角θ_ Y满足 cosθ_ w = r·cosθ_ Y，其中r（>1）为粗糙度因子。这使得亲水表面更亲水（θ_ w变小），疏水表面更疏水（θ_ w变大）。 表面化学不均一性 ：固体表面常由不同化学性质的区域组成。Cassie-Baxter模型描述了液滴复合接触的状态，表观接触角由各区域的面积分数和其本征接触角共同决定。超疏水现象常是Cassie态（液滴下截留有空气）的结果。 接触角滞后 ：前进接触角（θ_ a，液体铺展时测得的）和后退接触角（θ_ r，液体回缩时测得的）通常不相等，其差值（θ_ a - θ_ r）称为接触角滞后。它源于表面粗糙、化学不均一或液体对固体的溶胀/渗透，决定了液滴在倾斜表面上的滑动难易程度。 润湿性的测量与调控 。接触角测量仪是主要工具，通过拍摄液滴侧面轮廓图像并拟合确定θ。调控润湿性在科技领域至关重要，方法包括：改变固体表面化学（如使用表面活性剂涂层、氟硅烷处理）、构筑微纳米级粗糙结构（如仿生荷叶表面）、施加外部场（如电场、光、温度）以改变表面张力。 实际应用 。润湿性控制广泛应用于自清洁表面（超疏水）、防雾/防冰涂层、喷墨打印、矿物浮选、油水分离、纺织物处理、微流控芯片、农药喷洒、生物医学植入体表面改性以及提高石油采收率（降低油-岩接触角）等领域。理解接触角是设计这些功能表面的关键物理化学基础。