表麵張力是固體表麵重要的物理化學參數之一，其大小與溫度和界麵兩相物質的性質有關。對於固體表麵，由於其表麵分子或原子失去了流動性，使得其表麵存在微觀凹凸不平、孔隙等幾何不均一性，且實際固體表麵的複雜性使得固體表麵張力的測量計算較液體困難許多。基於Young方程的推導，使用接觸角測量法計算固體表麵張力被廣泛應用於表麵科學和工程領域，前人對於聚合物等化學材料的接觸角測量和表麵張力的定量計算亦有較多研究和應用。

在珠寶玉石鑒定領域，由於寶玉石材料多具有光潔的表麵，在接觸角測量的準確性方麵較其他表麵不均一的固體材料具有明顯的技術優勢，運用接觸角的差異對於不同品種的寶玉石鑒定應有較好的判別性；且這種物理測試技術不破壞樣品，符合寶玉石無損鑒定的基本原則。1977年，Nassau等為了區分鑽石與其他仿製品，測量了27個不同品種寶石材料的接觸角，實驗結果表明接觸角的差異能夠清晰地區分鑽石及其他仿製品，如合成立方氧化鋯(CZ)、釓镓榴石(GGG)、釔鋁榴石(YAG)等，分析了實驗條件(包括儀器設備)對接觸角測量準確度的影響因素，例如被測樣品表麵潔淨程度、測試液體種類、測試儀器裝置等。

當前珠寶玉石表麵處理技術日漸成熟，市場上各種覆膜、鍍層等經表麵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，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，且折射率等常規檢測方法對於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。而開發利用珠寶玉石的表麵性質，分析理解天然、合成及優化處理珠寶材料的表麵張力性質差異，可作為珠寶玉石準確鑒定的輔助檢測方法。目前，國內外已具備大量成熟的表麵張力動態接觸角分析儀器，如德國KRUSS公司生產的型號為K12的動態表麵能分析儀、德國Dataphysics公司推出的OCA係列視頻光學接觸角測量儀、以及PCA係列便攜式/在線接觸角測量儀、ACA係列全自動視頻接觸角測量儀以及美國FTA係列動態接觸角測量儀，並已廣泛應用於材料學表麵物性研究領域。

本文運用美國FTA200動態接觸角測量儀，測試了鑽石、鍍膜鑽石、合成碳矽石、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粒寶玉石的表麵接觸角，對覆膜處理的寶石與天然寶石的表麵接觸角進行對比研究，驗證表麵接觸角和表麵張力在寶玉石鑒定中的可行性，擬嚐試性開發一種珠寶玉石表麵物性測量方法，為寶玉石檢測提供鑒定依據。

1.表麵張力和接觸角的關係

1.1表麵張力

表麵張力是液體表麵層由於分子引力不均衡而產生的沿表麵作用於任一界線上的張力。通常，由於環境不同，處於界麵的分子與處於相本體內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於內部液相分子對它的吸引力，所以該分子所受合力不等於零，其合力方向垂直指向液體內部，結果導致液體表麵具有自動縮小的趨勢，這種收縮力稱為表麵張力。表麵張力是物質的特性，其大小與溫度和界麵兩相物質的性質有關。

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

1.2接觸角和Young方程

將少量液體滴在固體表麵，液體可能形成液滴，在達到平衡時，處於固體表麵上的液滴會保持一定的液體形狀，這是體係在三個界麵張力平衡作用下的結果。接觸角是指在氣、液、固三相交點處所作的氣-液界麵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液體在固體表麵的接觸角

固-氣、液-固、液-氣這三個界麵張力的平衡關係可以用Young方程表達：

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

Young方程中的接觸角是在假定固體表麵光滑、化學均質、剛性、各向同性且無化學反應，並且認為三相接觸線上的線張力可以忽略不計的理想狀態下的接觸角。但在實際的固體表麵，通常測量得到的接觸角的值是在一個範圍內，並不是唯一的值。朱定一等在分析總結前人研究的基礎上，推導出計算固體表麵張力的新方法。通過建立有限液-固界麵體係的張力平衡，推導出在無限液-固界麵係統中，液-固界麵張力和固相表麵張力的關係式：

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

2.接觸角的測量方法

接觸角的測量方法根據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，但測試結果受操作者影響，誤差較大；透過法適用於固體粉末；測力法運用電子天平，讀數較精確，德國KRUSS公司的動態表麵能分析儀基於此方法設計製造；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，測量在固體平麵上小液滴的高度(h)和寬度(2r),二者關係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便攜式動態粉色视频黄色网站。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，液滴在粗糙表麵、多相表麵的接觸角不是軸對稱，因此會帶來一些誤差。

基於被測樣品的特點，寶玉石本身體積小，對測試液滴的尺寸要求較小，且寶玉石表麵經過拋光後較為光滑，可能造成的誤差較小。