阿莎算法是一種其于Young-Laplace方程，綜合了表面張力、界面張力、重力（浮力）、接觸角等各項(xiàng)參數(shù)，在非軸對(duì)稱(chēng)（左、右向）假設(shè)條件下實(shí)現(xiàn)測(cè)量界面張力、表面張力、接觸角、密度、體積等物理化學(xué)性質(zhì)的科學(xué)、可靠的測(cè)試方法。阿莎是英文ADSA的音譯。ADSA為Axisymmetric Drop Shape Analysis的簡(jiǎn)寫(xiě)。英文中的Axisymmetric是指Young-Laplace方程離散處理過(guò)程的3D時(shí)空中視角前后向側(cè)與水平向側(cè)進(jìn)行變換時(shí)軸對(duì)稱(chēng)變換，而非左、右接觸角測(cè)量視角條件下的軸對(duì)稱(chēng)。阿莎算法自1983年提出后，歷經(jīng)4代更新，實(shí)現(xiàn)了左、右軸對(duì)稱(chēng)至非軸對(duì)稱(chēng)的變化升級(jí)。

 

A.W.Neumann加拿大多倫多大學(xué)名譽(yù)教授，其團(tuán)隊(duì)早提出ADSA算法并應(yīng)用于界面張力、表面張力和接觸角的測(cè)量。A.W.Neumann作為界面化學(xué)測(cè)量分析、應(yīng)用領(lǐng)域的大師，其貢獻(xiàn)在于Equation of state算法評(píng)估表面自由能、ADSA算法評(píng)估表面張力和界面張力、Line surface tension。

 

A.W.Neumann教授近照

 

Young-Laplace方程擬合技術(shù)與界面化學(xué)測(cè)量：

1、簡(jiǎn)單的測(cè)量幾何尺寸的數(shù)碼量角器或測(cè)量尺階段：

（1）對(duì)于旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀而言，本階段的特點(diǎn)在于采用顯微鏡分劃尺或視頻顯微鏡圖像拍攝的方法，測(cè)量液滴的直徑后，對(duì)界面張力值進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算的公式通常采用了1941年的VONNEGUT公式，參考文獻(xiàn)Rotating Bubble Method for the Determination of Surface and Interfacial Tensions，1942.1， R. S. I. VOLUME 13)。本質(zhì)上該階段的儀器屬于簡(jiǎn)單的測(cè)量寬度這樣的幾何尺寸的儀器。目前中國(guó)產(chǎn)的界面張力儀仍舊停留在這個(gè)階段。

（2）對(duì)于接觸角測(cè)量?jī)x而言，本階段的特點(diǎn)在于采用量角的方法測(cè)量角度值，初步表征角度值。采用的算法通常為圓擬合、橢圓擬合或切線(xiàn)法。這些方法在分析接觸角值時(shí)，與表面張力、界面張力、重力無(wú)關(guān)。目前中國(guó)產(chǎn)的接觸角測(cè)量?jī)x仍停留在這個(gè)階段。

綜合而言，由于技術(shù)發(fā)展階段所限，本階段的儀器技術(shù)水平比較低，數(shù)據(jù)的精度與可靠性不高，作為演示可以，但作為科學(xué)數(shù)據(jù)使用與評(píng)估界面化學(xué)性質(zhì)則缺乏理論依據(jù)與科學(xué)性，數(shù)據(jù)可靠性不高。

2、入門(mén)級(jí)的界面張力儀或接觸角測(cè)量?jī)x

本階段的旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀采用了基于Select Plane算法的Young-Laplace方程擬合算法或ADSA-P算法，在液滴輪廓分析時(shí)通常基于軸對(duì)稱(chēng)分析，對(duì)測(cè)試條件、液滴圖像有所要求，測(cè)量穩(wěn)定性一般。這種穩(wěn)定性是指參于理想的圖片（軸對(duì)稱(chēng)、符合標(biāo)定Select Plane擬合參數(shù)時(shí)的圖片）而言，測(cè)值結(jié)果可以，但是對(duì)于真正測(cè)量中出現(xiàn)的接觸角圖片左、右不對(duì)稱(chēng)（由于樣品臺(tái)水平度調(diào)整問(wèn)題、本身材料的化學(xué)多樣性表面粗糙度問(wèn)題等等）、界面張力液滴輪廓受振動(dòng)和粘力作用形成的非軸對(duì)稱(chēng)性，等等條件，測(cè)值精度和可靠性則會(huì)迅速降低。

3、版本的界面張力或接觸角測(cè)量?jī)x

基于ADSA-NA，阿莎算法（ADSA—RealDrop算法）實(shí)現(xiàn)了接觸角測(cè)量的非軸對(duì)稱(chēng)升級(jí)，阿莎算法（ADSA-RealDrop）算法通過(guò)分析整體輪廓左、右非軸稱(chēng)情況下，修正重力、表面張力、界面張力，實(shí)現(xiàn)了接觸角測(cè)量從入門(mén)級(jí)的精度不高的接觸角向高精度、數(shù)據(jù)可靠、科學(xué)的界面化學(xué)分析的。在界面化學(xué)測(cè)量，特別是接觸角的測(cè)量領(lǐng)域具有里程碑式的意義。

 

阿莎算法分析接觸角的圖譜我們已經(jīng)公布了許多視頻與圖片供對(duì)比。而阿莎算法的旋轉(zhuǎn)滴界面張力分析圖片我們公布不多，現(xiàn)將部分圖片分享如下，供品鑒。

阿莎算法在旋轉(zhuǎn)滴條件下的無(wú)因次方程組如下所示：

 

其中w為轉(zhuǎn)速,R0為頂點(diǎn)曲率半徑

 

高溫高壓條件下污水－氣界面張力阿莎算法分析圖譜

 

 

高溫高壓條件下表面活性劑水溶液－原油界面張力阿莎算法擬合圖譜

 

 

阿莎算法相較于數(shù)碼量角器以及入門(mén)級(jí)的界面張力儀和接觸角測(cè)量?jī)x（基于Select Plane算法的Young-Laplace）方程的核心區(qū)別在于：

1、阿莎算法為整體輪廓分析，局部的輪廓的突變或拍攝噪聲，無(wú)法影響到整體輪廓的變化。而Select Plane算法僅僅取幾個(gè)點(diǎn)或幾個(gè)位置截面（如Ds和De），受所選位置或面的參數(shù)影響非常大。

2、阿莎算法基于微米級(jí)紅寶石球修正后計(jì)算精度可以真正達(dá)到亞像素級(jí)別，而通常旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀僅僅采用校準(zhǔn)絲或二維錐形標(biāo)樣進(jìn)行校準(zhǔn)，在傾斜的條件下，校準(zhǔn)精度基本沒(méi)有，誤差遠(yuǎn)高于10%。

 

 

 

由于旋轉(zhuǎn)滴所用樣品管是內(nèi)圓柱形，由于外相液的光路形成了垂直向的折射，圖像的垂直向進(jìn)行了拉升、而水平向通常保持不變，因而，在測(cè)量旋轉(zhuǎn)滴界面張力值時(shí)坐標(biāo)體系必須進(jìn)行變換，此時(shí)測(cè)得的界面張力值或接觸角值才是的。同時(shí)，在高溫高壓條件下，密度值與常溫、常壓條件下不一樣，因而，普通的算法根本無(wú)法進(jìn)行相應(yīng)的校準(zhǔn)與修正，計(jì)算，因而，其測(cè)得的界面張力值的精度就可想可知了。

 

無(wú)外相液時(shí)紅寶石球的成像沒(méi)有垂直向的拉升。

 

綜合如上，我們認(rèn)為：

1、隨著技術(shù)的，旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，技術(shù)研發(fā)進(jìn)入深水期，因而，我們更要求有更高精度、更尊重科學(xué)的的旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀。數(shù)碼測(cè)寬儀式的旋轉(zhuǎn)滴已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足高溫高壓條件下，甚至常規(guī)條件下的界面張力測(cè)量需求了。

2、接觸角測(cè)量?jī)x的應(yīng)用廣泛性要求我們從2D簡(jiǎn)單的表觀量角進(jìn)入3D接觸角階段，我們需要探究進(jìn)為深層的表面張力三明治效應(yīng)，接觸角滯后現(xiàn)象，以及如何利用接觸角滯后研制新材料，利用3D接觸角進(jìn)行品質(zhì)控制。