四大判断方法(从易到难)
方法一:接触角滞后性分析(常用、有效)
这是区分两种状态可靠的指标之一。实验: 测量液滴在表面上的前进接触角和后退接触角,并计算两者的差值(即接触角滞后)。判断标准:Cassie状态迹象: 接触角滞后很小(通常 < 10°)。液滴很容易滚动,表面稍有倾斜,液滴就滚落了(低滚动角)。这是因为液滴坐在空气垫上,摩擦阻力小。例子: 荷叶上的水珠。Wenzel状态迹象: 接触角滞后很大(通常 > 10°)。液滴在倾斜表面时非常“粘滞",不易移动。这是因为液滴渗入粗糙结构内部,接触线被机械地锁定了。例子: 一张粗糙的砂纸即使本身是疏水的,水滴上去也很难滚落。
方法二:静态接触角的大小与行为观察
高接触角: 如果测得的静态接触角远大于120°,甚至达到150°以上(超疏水),这强烈暗示可能处于Cassie状态。因为单靠Wenzel模型的放大效应很难达到如此高的角度。液滴形状: Cassie状态下的液滴通常更接近美的球形(因为与固体接触少,支撑力来自空气)。渗透实验(简单易行):对液滴施加一个微小的压力,例如用针头轻轻按压液滴顶部,或者让液滴从较低高度滴落到表面。Cassie状态(亚稳态): 在压力下,液滴可能会从高接触角的Cassie状态突然转变为低接触角的Wenzel状态(接触角瞬间变小)。这种可观察到的转变是Cassie状态存在的铁证。Wenzel状态(稳定态): 液滴状态是稳定的,施加微小压力后接触角不会有突变。
方法三:滚动/滑动角测试
这与接触角滞后性直接相关,但更直观。Cassie状态: 滚动角很小。你可能只需要将表面倾斜不到10°,液滴就滚落了。Wenzel状态: 滚动角很大,甚至液滴无法滚落(即使将表面垂直,液滴也可能粘附在上面)。
方法四:直接光学观测(需要专业设备)
使用高倍率显微镜或接触角仪的放大功能,从侧面或底部观察液滴与表面的接触界面。Cassie状态: 在液滴与表面的接触边缘,有时能看到明亮的光环或闪亮的点,这是光线在液-气界面发生全反射的结果,表明下方有空气存在。Wenzel状态: 接触界面通常显得暗淡、均匀。