四大判斷方法(從易到難)
方法一:接觸角滯后性分析(常用、有效)
這是區分兩種狀態可靠的指標之一。實驗: 測量液滴在表面上的前進接觸角和后退接觸角,并計算兩者的差值(即接觸角滯后)。判斷標準:Cassie狀態跡象: 接觸角滯后很小(通常 < 10°)。液滴很容易滾動,表面稍有傾斜,液滴就滾落了(低滾動角)。這是因為液滴坐在空氣墊上,摩擦阻力小。例子: 荷葉上的水珠。Wenzel狀態跡象: 接觸角滯后很大(通常 > 10°)。液滴在傾斜表面時非常“粘滯",不易移動。這是因為液滴滲入粗糙結構內部,接觸線被機械地鎖定了。例子: 一張粗糙的砂紙即使本身是疏水的,水滴上去也很難滾落。
方法二:靜態接觸角的大小與行為觀察
高接觸角: 如果測得的靜態接觸角遠大于120°,甚至達到150°以上(超疏水),這強烈暗示可能處于Cassie狀態。因為單靠Wenzel模型的放大效應很難達到如此高的角度。液滴形狀: Cassie狀態下的液滴通常更接近美的球形(因為與固體接觸少,支撐力來自空氣)。滲透實驗(簡單易行):對液滴施加一個微小的壓力,例如用針頭輕輕按壓液滴頂部,或者讓液滴從較低高度滴落到表面。Cassie狀態(亞穩態): 在壓力下,液滴可能會從高接觸角的Cassie狀態突然轉變為低接觸角的Wenzel狀態(接觸角瞬間變小)。這種可觀察到的轉變是Cassie狀態存在的鐵證。Wenzel狀態(穩定態): 液滴狀態是穩定的,施加微小壓力后接觸角不會有突變。
方法三:滾動/滑動角測試
這與接觸角滯后性直接相關,但更直觀。Cassie狀態: 滾動角很小。你可能只需要將表面傾斜不到10°,液滴就滾落了。Wenzel狀態: 滾動角很大,甚至液滴無法滾落(即使將表面垂直,液滴也可能粘附在上面)。
方法四:直接光學觀測(需要專業設備)
使用高倍率顯微鏡或接觸角儀的放大功能,從側面或底部觀察液滴與表面的接觸界面。Cassie狀態: 在液滴與表面的接觸邊緣,有時能看到明亮的光環或閃亮的點,這是光線在液-氣界面發生全反射的結果,表明下方有空氣存在。Wenzel狀態: 接觸界面通常顯得暗淡、均勻。