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3D接触角测量仪的核心技术略谈

3D接触角测量仪采用多角度视角观测接触角值变化,为评估材料的化学多样性、异构性、各向异性等长期以来没有被解决的界面化学现象提供了可能。同时,由于其采用的特殊软件算法ADSA-RealDrop法,可以基于界面化学Young-Laplace方程分别计算左、右两侧接触角值,为快速分析本征接触角值(基于Rafael Tadmor模型)以及表面洁净度提供了可能。本征接触角或称为热平衡接触角具体可以参考:Rafael Tadmor, Line Energy and the Relation between Advancing, Receding, and Young Contact Angles, Langmuir 2004, 20, 7659-7664。

而就3D接触角测量仪而言,其核心技术包括3个部分:

1、最核心的技术-ADSA-RealDrop算法。3D接触角测量技术的核心为左、右两侧分开计算接触角值。当然,这种非轴对称的算法是其显著特征。基于Young-Laplace算法的ADSA-P技术由A.W.Neumann于1984年提出,经过多年发展成为了界面化学测试领域采用光学法测试界面张力、表面张力和接触角值的首选算法,并被大量专业文献所引用。但其缺陷在于无法实现非轴对称。近年,美国科诺授权上海梭伦信息科技有限公司在中国申请专利的ADSA-RealDrop算法突破了轴对称的限制,采用拟合邦德系数(Bond number)而非选点选面(Select Plane)的方式,解决了原有算法的瓶颈问题,从而为实现3D接触角测试提供了可能。

2、最关键的部件-采用蜗轮蜗杆技术的水平旋转光学平台。由于采用了蜗轮蜗杆结构,在转动角度的精度和扭矩方面均得到了大大提升,从而为提升3D效果提供了可能。

3、最有力的支持-平行光镜头以及平行光光源。平行光光源以及平行光镜头,可以大大提升液滴成像的景深,直接切线方式实现轮廓成像,从而实现了液滴前、后移动时不再变化轮廓尺寸。这两个部件是实现3D接触角测量的最有力支持。

当然,我公司正在加紧研制其他技术,为保证一次成像,快速分析3D接触角提供可能。具体方案已经在申请专利中。

如下为两段视频,演示了3D接触角测量仪是如何工作的。

1、本视频演示了一种新发明的接触角测试仪器:3D接触角仪。基于多年来测试经验,我们发现对于绝大多数的样品,其接触角在左右两边通常均是不一致的。如果通过旋转样品90度,我们可以很容易发现此时的接触角值与没有旋转前视角时的接触角值不一样。而出现这种情况的原因主要包括:第一,材料本身表面微观结构或宏观结构的不一致,如视频中给出的两个图片一样,一个是硅片,表面在镀上硅材料时存在一些垂直与横向不一致的结构,一个是叶片,表面明显存在纹理结构;第二,材料表面的化学多样性。因此,我们在全世界首家创新性发明了样品台水平360度旋转的测试功能。本视频演示了在样品台沿水平向自动旋转360度时测试接触角变化的情况,并称之为3D接触角仪。最终,最终的结果可以导出为AVI文件。

http://v.youku.com/v_show/id_XOTQxNzU5NzIw.html

2、 本视频演示了3D接触角仪用于测试水稻叶的接触角值的过程,可以用于考察样品的化学多样性、化学异构性以及接触角滞后性等。通常而言,由于化学异构性、纳米级的物理结构、表面清洁度等原因,物质的接触角值在2D状态时几乎没有完全左右一致的。而3D接触角仪正好可以满足测试样品的接触角滞后时的接触角高精度需求。通过本视频可以清晰的看到,水稻叶片表面的绒状结构导致各个方向的接触角值会有一点点变化,变化范围从142-144度之间。而通过这个光学接触角仪可以非常清晰的看到表面的一些结构。采用样品台水平旋转的方法,可以测试360度视角范围的接触角变化情况。结合ADSA-RealDrop法,可以很好的完成非轴对称情况下的接触角测值。水平旋转样品台加上ADSA-RealDrop算法是完成3D接触角的测值的绝配。3D接触角仪需要两个部分:水平旋转形成360度视角的机械结构,可分左右整体拟合接触角值的算法,如基于ADSA-RealDrop的Young-Laplace方程拟合技术。

http://v.youku.com/v_show/id_XOTQxNzU2Mjg0.html

   
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