环境扫描电镜（ESEM）在观察液滴三相接触线中的应用

液滴在聚合物表面形成的三线结构通常源自液滴、固体表面和气相之间的相互作用。当液滴与表面接触时，形成了一个三相接触区域，这一区域的稳定性受以下几个机制的影响：

01 湿润性和表面张力的平衡： 液滴在表面上的扩展或收缩过程是由于液体分子之间的表面张力与固体表面分子之间的相互作用力之间的平衡。当液滴的表面张力与聚合物表面的表面能之间达到平衡时，液滴在表面上形成稳定的三线接触结构。

02 粘附力与表面能： 液滴在聚合物表面上的形态还受到粘附力的影响。粘附力是液滴与表面之间的力，它可以使液滴在表面上扩展或发生分裂。表面能的差异决定了粘附力的大小，进而影响液滴的形状和三线结构的形成。

03 三相接触角的变化： 在液滴与聚合物表面相互作用的过程中，接触角的变化是三线结构演化的一个重要标志。接触角的变化通常伴随着液滴形态的改变，进而导致三线结构的变化。在某些条件下，如表面能的调控或液滴的表面张力发生变化时，接触角可能会急剧变化，进而影响三线接触结构的形态。

04 表面粗糙度的影响： 表面微观结构对三线接触线有显著影响。在粗糙的表面上，液滴的三线接触线可能呈现不规则的形态，液滴可能会滞留在表面的小孔或微沟槽中。表面粗糙度对液滴的扩展性和接触角有显著影响，通常会导致接触角的增加。

液滴在聚合物表面形成的三线结构在许多实际应用中具有重要意义。例如，应用于防水和防污；优化液滴的引导和操作，提升微流控技术；液滴与表面之间的相互作用能够影响传感器的灵敏度和响应速度。通过调节聚合物表面的特性，可以设计出更加灵敏的检测装置。

Edward Bormashenko等人首次使用环境扫描电子显微镜（Quanta 200 FEG ESEM FEI）研究了三相接触线的精细结构。发现三相线并不光滑，更倾向于结合聚合物基底而不是气孔，观察到了液滴周围的先驱环，揭示了表观接触角对液滴体积的依赖关系可以用 Cassie和混合Wenzel-Cassie润湿模式之间的转变来解释，这是由毛细作用渗透到缓动孔中的水引起的。

如下图所示，研究者将涂有蜂窝状PS 的PP 基底固定在保持在2°C 的 Peltier 台上。在泵吸过程之前，使用精确的微分配器（微量注射器）小心地在样品表面顶部沉积一滴水滴，并将其稳定在2°C。在成像时，通过缓慢地以0.1 托里为增量改变压力来控制样本室中的相对湿度。在ESEM 湿模式下，使用GSED（气态二次电子探测器）对液滴- 样本边界进行成像。

青霉菌孢子（左）水汽凝结成水珠（右）

参考资料：Environmental Scanning Electron Microscopy Study of the Fine Structure of the Triple Line and Cassie-Wenzel Wetting Transition for Sessile Drops Deposited on Rough Polymer Substrates