表面张力是固体表面重要的物理化学参数之一，其大小与温度和界面两相物质的性质有关。对于固体表面，由于其表面分子或原子失去了流动性，使得其表面存在微观凹凸不平、孔隙等几何不均一性，且实际固体表面的复杂性使得固体表面张力的测量计算较液体困难许多。基于Young方程的推导，使用接触角测量法计算固体表面张力被广泛应用于表面科学和工程领域，前人对于聚合物等化学材料的接触角测量和表面张力的定量计算亦有较多研究和应用。

在珠宝玉石鉴定领域，由于宝玉石材料多具有光洁的表面，在接触角测量的准确性方面较其他表面不均一的固体材料具有明显的技术优势，运用接触角的差异对于不同品种的宝玉石鉴定应有较好的判别性；且这种物理测试技术不破坏样品，符合宝玉石无损鉴定的基本原则。1977年，Nassau等为了区分钻石与其他仿制品，测量了27个不同品种宝石材料的接触角，实验结果表明接触角的差异能够清晰地区分钻石及其他仿制品，如合成立方氧化锆(CZ)、钆镓榴石(GGG)、钇铝榴石(YAG)等，分析了实验条件(包括仪器设备)对接触角测量准确度的影响因素，例如被测样品表面洁净程度、测试液体种类、测试仪器装置等。

当前珠宝玉石表面处理技术日渐成熟，市场上各种覆膜、镀层等经表面处理的珠宝玉石材料，给实验室鉴定带来了前所未有的挑战，某些样品利用通常的红外光谱仪器检测已有难度，需要破坏样品进行测试，且折射率等常规检测方法对于特定的宝玉石品种鉴定也有不同程度的困难，急需寻找新方法解决疑难问题。而开发利用珠宝玉石的表面性质，分析理解天然、合成及优化处理珠宝材料的表面张力性质差异，可作为珠宝玉石准确鉴定的辅助检测方法。目前，国内外已具备大量成熟的表面张力动态接触角分析仪器，如德国KRUSS公司生产的型号为K12的动态表面能分析仪、德国Dataphysics公司推出的OCA系列视频光学接触角测量仪、以及PCA系列便携式/在线接触角测量仪、ACA系列全自动视频接触角测量仪以及美国FTA系列动态接触角测量仪，并已广泛应用于材料学表面物性研究领域。

本文运用美国FTA200动态接触角测量仪，测试了钻石、镀膜钻石、合成碳硅石、合成立方氧化锆(CZ)、红宝石、合成红宝石、蓝宝石、合成蓝宝石、橄榄石、透辉石、长石、黄水晶、碧玺、充填碧玺、托帕石、覆膜托帕石、翡翠、覆膜翡翠、琥珀、覆膜琥珀21粒宝玉石的表面接触角，对覆膜处理的宝石与天然宝石的表面接触角进行对比研究，验证表面接触角和表面张力在宝玉石鉴定中的可行性，拟尝试性开发一种珠宝玉石表面物性测量方法，为宝玉石检测提供鉴定依据。

1.表面张力和接触角的关系

1.1表面张力

表面张力是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。通常，由于环境不同，处于界面的分子与处于相本体内的分子所受力是不同的。上层空间气相分子对液体的吸引力小于内部液相分子对它的吸引力，所以该分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液体内部，结果导致液体表面具有自动缩小的趋势，这种收缩力称为表面张力。表面张力是物质的特性，其大小与温度和界面两相物质的性质有关。

固体的表面张力不宜测得，通常是用液体在固体表面上的接触角的大小来计算。接触角法操作简单，应用广泛，是目前估算表面张力最常用的方法。

1.2接触角和Young方程

将少量液体滴在固体表面，液体可能形成液滴，在达到平衡时，处于固体表面上的液滴会保持一定的液体形状，这是体系在三个界面张力平衡作用下的结果。接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角θ，是润湿程度的量度。如图1所示。

图1液体在固体表面的接触角

固-气、液-固、液-气这三个界面张力的平衡关系可以用Young方程表达：

式中，γSG、γSL和γLG分别表示固-气、液-固、液-气界面张力，θ为接触角。

Young方程中的接触角是在假定固体表面光滑、化学均质、刚性、各向同性且无化学反应，并且认为三相接触线上的线张力可以忽略不计的理想状态下的接触角。但在实际的固体表面，通常测量得到的接触角的值是在一个范围内，并不是唯一的值。朱定一等在分析总结前人研究的基础上，推导出计算固体表面张力的新方法。通过建立有限液-固界面体系的张力平衡，推导出在无限液-固界面系统中，液-固界面张力和固相表面张力的关系式：

式(2)、(3)表明γSG、γSL仅是液相表面张力γLG和接触角θ的函数，只要知道一种液体的γLG和这一液体在固相表面的接触角θ就可以计算得到γSG(固-气界面张力)。

2.接触角的测量方法

接触角的测量方法根据直接测量物理量的不同可以分为量角法、透过法、测力法和长度法。量角法直观，但测试结果受操作者影响，误差较大；透过法适用于固体粉末；测力法运用电子天平，读数较精确，德国KRUSS公司的动态表面能分析仪基于此方法设计制造；长度法形式之一的小液滴法(球冠)是当液滴足够小时，重力可以忽略，液滴是理想的球冠型，测量在固体平面上小液滴的高度(h)和宽度(2r),二者关系可以表示为如下公式：

ｓｉｎθ＝２ｈｒ／（ｈ２＋ｒ２） （４）

通过测量h和r，可以根据公式(4)计算出接触角θ。本次实验采用的芬兰Kibron EZ-Pi Plus便携式动态表面张力仪。该方法受操作者影响较小，误差小，但公式(4)需满足一些假设条件，这些条件在实际测量中可能无法满足，如液滴的体积不是非常小，重力影响不能忽略，液滴在粗糙表面、多相表面的接触角不是轴对称，因此会带来一些误差。

基于被测样品的特点，宝玉石本身体积小，对测试液滴的尺寸要求较小，且宝玉石表面经过抛光后较为光滑，可能造成的误差较小。