技術(shù)文章 / Technical articles
2018年5月1日，中國知識產(chǎn)權(quán)局公布了上海梭倫申請的3D接觸角測量儀裝置中3D鏡頭的實(shí)用新型，同時(shí)，上海梭倫申請的3D接觸角鏡頭的發(fā)明進(jìn)入實(shí)審階段。
號：201721317403 .4，名稱：一種采用多棱鏡折轉(zhuǎn)光路的3D接觸角測試裝置
3D接觸角作為分析水滴角、液體探針固體接觸角的，是分析固體材料基本物理化學(xué)性質(zhì)的。目前而言，絕大多數(shù)的研究單位（學(xué)?；蚩蒲性核┮约吧虡I(yè)化的“接觸角測量儀”廠商的接觸角測量儀均是基于二維空間的接觸角測量。從測試接觸角的視角條件而言，通常接觸角或水滴角的測量均采用側(cè)視法條件為主。雖然基于ADSA-D算法的頂視法接觸角測量儀在學(xué)界有一定的知名度，但是由于此種算法將體積作為邊界條件使用，而體積的計(jì)算在實(shí)際的操作運(yùn)用中存在很大的缺陷，這主要是由于材料本身客觀存在的表面粗糙度、化學(xué)多樣性、異構(gòu)性（含晶體生成結(jié)構(gòu)的方向性）等原因，在頂視條件下絕少部分樣品呈現(xiàn)規(guī)則的圓形結(jié)構(gòu)。此時(shí)，體積的計(jì)算本身即存在困難，并由此造成接觸角計(jì)算的誤差。
3D接觸角鏡頭或3D接觸角的概念正因如上提及的表面粗糙度、化學(xué)多樣性、異構(gòu)性的存在而提出的。3D接觸角或3D水滴角的概念是現(xiàn)代界面化學(xué)分析的工具，即重要性體現(xiàn)為：
1、從真正意義上評估固體材料的真實(shí)的物理化學(xué)性質(zhì)；
2、提升了固體材料物理化學(xué)性質(zhì)表征的手段的科學(xué)性；
3、為實(shí)際應(yīng)用如芯片制造、半導(dǎo)體、LED或OLED行業(yè)、電子、新材料特別是仿生材料的研究提供的的技術(shù)路線。比如，如何有效利用粗糙度以及化學(xué)多樣性實(shí)現(xiàn)定向問題，分子或晶體如何定向的，如何高效快速評估表面的化學(xué)多樣性，如何提一步優(yōu)化仿生材料的表面結(jié)構(gòu)等等。這些均是我們應(yīng)當(dāng)重視、注意的新課題。
而從角度來評估，接觸角測量儀的歷史通常而言包括：
1、簡單的量角器階段：20世紀(jì)40年代至80年代左右，自Zisman教授團(tuán)隊(duì)提出可采用量角器（Goniometer)的方法簡單的評估接觸角角度后，采用測量學(xué)意義上的量角器被一直采用于接觸角的測量。雖然隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的，出現(xiàn)了圓擬合、橢圓擬合、切線法（一次、二次、多次曲線方程或復(fù)合曲線方程），但是，這些測量方法均是停留在量角器階段，多只是數(shù)碼量角器階段。測值的結(jié)果受各種實(shí)際條件影響非常大。這些實(shí)際條件包括：
（1）重力的影響？
（2）滴液精度的控制？
（3）水滴的軸對稱要求？
（4）曲線的擬合度問題？
等等。
目前，絕大多數(shù)的商業(yè)化的所謂的“接觸角測量儀”或水滴角測量儀廠商，特別是中國的水滴角測量儀廠商仍停留在這個(gè)階段。不僅技術(shù)落后，測值精度不，測值結(jié)果可信度不高，而且，大大影響了后續(xù)的研發(fā)實(shí)際的數(shù)據(jù)應(yīng)用。
2、基于Young-Laplace方程擬合的接觸角測量階段：20世紀(jì)80年代，A.W.Neumann團(tuán)隊(duì)提出的Young-Laplace方程擬合技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像分析算法，可用于分析表面張力值。同時(shí)，在測試過程中，可以得到相應(yīng)的接觸角值。同一時(shí)期，包括SongBihai、Hensen等團(tuán)隊(duì)同時(shí)提出了各自的Young-Laplace方程擬合技術(shù)，用于分析液體的表面張力值。
注意的是，這些科研人員提出Young-Laplace方程的初衷在于分析液體的表面張力值，其假設(shè)均是液-固之間的接觸后形成的液滴是軸對稱的。但是，上海梭倫已經(jīng)證明，在表征固體樣品時(shí)，固體材料卻不因Young-Laplace方程的軸對稱假設(shè)而進(jìn)行更改，固體材料本身的化學(xué)多樣性、表面粗糙度、異構(gòu)性等客觀存在因素，導(dǎo)致側(cè)視條件下固體的接觸角值很少是軸對稱的。
因而，很明顯地，Young-Laplace方程擬合用于分析液體表面或界面張力值時(shí)是有效的，但是其無法應(yīng)用于實(shí)際的接觸角測量或水滴角測量。
所以，從角度而言，Young-Laplace方程擬合的接觸角分析或水滴角測量儀只能視為“接觸角測量儀"或”水滴角測量儀“的初級階段，或是從數(shù)碼量角器向真正接觸角測量或分析的過渡。
3、基于阿莎算法（ADSA-RealDrop）的真正接觸角測量儀或3D接觸角階段。
阿莎算法基于表征固體材料物理化學(xué)的非軸對稱性特征，在算法上進(jìn)行了改進(jìn)。將Young-Laplace方程擬合算法的基礎(chǔ)部分Select plane部分的缺陷進(jìn)行了合理、科學(xué)的革新，采用2次擬合液滴輪廓曲線的算法進(jìn)行了基于真實(shí)液滴的輪廓擬合。通過基于Young-Laplace方程的非軸對稱接觸角分析，為接觸角測量儀或水滴角測量儀進(jìn)入3D接觸角或3D水滴角測量提供了可能。
為配合阿莎算法，上海梭倫的3D接觸角測量儀器或普通的接觸角測量儀器的設(shè)計(jì)核心硬件技術(shù)包括：
1、3D接觸角鏡頭或3D接觸角測量平臺；
2、樣品臺微米級微分頭控制二維水平調(diào)整機(jī)構(gòu)；
3、鏡頭和相機(jī)二維微分頭控制機(jī)構(gòu)；
4、微米級紅寶石球3D接觸角校準(zhǔn)工具。
因而，結(jié)論可能有點(diǎn)殘酷，但也是非常簡單，對于事實(shí)上存在的表面粗糙度、化學(xué)多樣性和異構(gòu)性條件下的真實(shí)地固體材料的物理化學(xué)性質(zhì)（表面張力、接觸角、界面張力、表面自由能）的評估，我們只能是：
，必須采用阿莎算法或類似的基于Young-Laplace方程的非軸對分析算法；
第二、必須擁有如上1-4項(xiàng)硬件結(jié)構(gòu)。
除此之外或者把這些核心零件拿掉后，剩下的硬件部分只能視為普通的量角器而不能作為評估固體材料接觸角所用的界面化學(xué)分析儀器。
而，量角器在某寶上可以查找很多，如采用平整度分析儀、臥式顯微鏡作為關(guān)鍵詞，很容易找到一堆。通常的價(jià)格為1000-2000元左右。再購買300元左右的光源、購買500元或1000元左右的相機(jī)。下載網(wǎng)絡(luò)上的量角器軟件即可完成目前中國產(chǎn)所謂的”接觸角測量儀“或‘水滴角測量儀"的搭建。5000元都沒有用到。
所以，我們應(yīng)當(dāng)基于科學(xué)原理，以工匠精神來評估如何、科學(xué)評估接觸角測量儀及其應(yīng)用，而不能簡單地從主觀上已經(jīng)認(rèn)為接觸角測量儀很簡單，這樣極可能被一些生產(chǎn)顯微鏡或量角器的廠商所誤導(dǎo)，終不僅浪費(fèi)了研發(fā)時(shí)間，也浪費(fèi)了成本，終卻完不成研究需要，得不償失。
