鮑 雪， 陸太進， 魏 然， 張 勇， 李海波， 陳 華， 柯 捷

(1.國土資源部珠寶玉石首飾管理中心北京珠寶研究所， 北京 100013； 2.國家珠寶玉石質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心， 北京 100013； 3.國土資源部珠寶玉石首飾管理中心， 北京 100013)

表面接觸角的測量及表面張力在寶玉石鑒定中的應用

鮑 雪1， 陸太進1， 魏 然1， 張 勇1， 李海波2， 陳 華1， 柯 捷3

(1.國土資源部珠寶玉石首飾管理中心北京珠寶研究所， 北京 100013； 2.國家珠寶玉石質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心， 北京 100013； 3.國土資源部珠寶玉石首飾管理中心， 北京 100013)

表面張力是固體表面重要的物理化學參數(shù)之一，其大小與溫度和界面兩相物質(zhì)的性質(zhì)有關。基于Young方程的推導，使用接觸角測量法計算固體表面張力已被廣泛應用于表面科學和工程領域。寶玉石材料大多具有光潔的表面，在接觸角測量的準確性方面較其他表面不均一的固體材料具有明顯的技術優(yōu)勢。本文運用現(xiàn)代儀器(FTA200動態(tài)接觸角測量儀)測量了15個天然和合成寶玉石品種(鉆石、合成碳硅石、合成立方氧化鋯、碧璽、托帕石、翡翠、琥珀等)，以及經(jīng)覆膜和充填2種處理方法的寶玉石樣品(鍍膜鉆石、覆膜托帕石、覆膜翡翠、覆膜琥珀、充填碧璽)的表面接觸角，并運用公式計算其表面張力。測試數(shù)據(jù)表明，不同品種寶玉石的接觸角數(shù)值存在差異，如鉆石的接觸角值為56.68°，其仿制品立方氧化鋯的接觸角值為37.79°；覆膜處理與未經(jīng)覆膜處理的天然寶玉石的接觸角數(shù)值差異明顯，如琥珀的接觸角值為92.49°，覆膜琥珀的接觸角值為66.49°；充填處理寶玉石接觸角的測試由于控制液滴的大小受條件限制操作難度較大，測試結果不能準確表達為裂隙中充填物的接觸角數(shù)值，故充填處理的寶石不宜采用此方法進行區(qū)分。研究表明，對于部分寶玉石品種和覆膜處理寶玉石，其表面接觸角及表面張力數(shù)值差異顯著，可以作為寶玉石品種的輔助鑒定依據(jù)；尤其是運用接觸角的差異對于寶玉石鑒定具有較好的判別性，能夠?qū)Σ煌贩N的天然寶玉石與表面覆膜的寶玉石樣品進行有效區(qū)分。與常規(guī)寶石檢測方法(如紅外光譜、折射率測量方法)對比，接觸角測量方法具有測量準確、操作簡便，不破壞樣品的特點，符合寶玉石無損鑒定的基本原則，且能夠安全快速地測量高折射率寶石，可以解決寶玉石表面覆膜等與表面物性相關的檢測疑難問題。

接觸角； 表面張力； 寶玉石； 覆膜處理； 充填處理； 鑒定

表面張力是固體表面重要的物理化學參數(shù)之一，其大小與溫度和界面兩相物質(zhì)的性質(zhì)有關。對于固體表面，由于其表面分子或原子失去了流動性，使得其表面存在微觀凹凸不平、孔隙等幾何不均一性，且實際固體表面的復雜性使得固體表面張力的測量計算較液體困難許多?；赮oung方程的推導，使用接觸角測量法計算固體表面張力被廣泛應用于表面科學和工程領域[1]，前人對于聚合物等化學材料的接觸角測量和表面張力的定量計算亦有較多研究和應用。

在珠寶玉石鑒定領域，由于寶玉石材料多具有光潔的表面，在接觸角測量的準確性方面較其他表面不均一的固體材料具有明顯的技術優(yōu)勢，運用接觸角的差異對于不同品種的寶玉石鑒定應有較好的判別性；且這種物理測試技術不破壞樣品，符合寶玉石無損鑒定的基本原則。1977年，Nassau等[2]為了區(qū)分鉆石與其他仿制品，測量了27個不同品種寶石材料的接觸角，實驗結果表明接觸角的差異能夠清晰地區(qū)分鉆石及其他仿制品，如合成立方氧化鋯(CZ)、釓鎵榴石(GGG)、釔鋁榴石(YAG)等，分析了實驗條件(包括儀器設備)對接觸角測量準確度的影響因素，例如被測樣品表面潔凈程度、測試液體種類、測試儀器裝置等。

當前珠寶玉石表面處理技術日漸成熟，市場上各種覆膜、鍍層等經(jīng)表面處理的珠寶玉石材料，給實驗室鑒定帶來了前所未有的挑戰(zhàn)，某些樣品利用通常的紅外光譜儀器檢測已有難度，需要破壞樣品進行測試，且折射率等常規(guī)檢測方法對于特定的寶玉石品種鑒定也有不同程度的困難，急需尋找新方法解決疑難問題。而開發(fā)利用珠寶玉石的表面性質(zhì)，分析理解天然、合成及優(yōu)化處理珠寶材料的表面張力性質(zhì)差異，可作為珠寶玉石準確鑒定的輔助檢測方法。目前，國內(nèi)外已具備大量成熟的表面張力動態(tài)接觸角分析儀器，如德國KRUSS公司生產(chǎn)的型號為K12的動態(tài)表面能分析儀、德國Dataphysics公司推出的OCA系列視頻光學接觸角測量儀、以及PCA系列便攜式/在線接觸角測量儀、ACA系列全自動視頻接觸角測量儀以及美國FTA系列動態(tài)接觸角測量儀，并已廣泛應用于材料學表面物性研究領域。本文運用美國FTA200動態(tài)接觸角測量儀，測試了鉆石、鍍膜鉆石、合成碳硅石、合成立方氧化鋯(CZ)、紅寶石、合成紅寶石、藍寶石、合成藍寶石、橄欖石、透輝石、長石、黃水晶、碧璽、充填碧璽、托帕石、覆膜托帕石、翡翠、覆膜翡翠、琥珀、覆膜琥珀21粒寶玉石的表面接觸角，對覆膜處理的寶石與天然寶石的表面接觸角進行對比研究，驗證表面接觸角和表面張力在寶玉石鑒定中的可行性，擬嘗試性開發(fā)一種珠寶玉石表面物性測量方法，為寶玉石檢測提供鑒定依據(jù)。

1 表面張力和接觸角的關系

1.1 表面張力

表面張力是液體表面層由于分子引力不均衡而產(chǎn)生的沿表面作用于任一界線上的張力。通常，由于環(huán)境不同，處于界面的分子與處于相本體內(nèi)的分子所受力是不同的。上層空間氣相分子對液體的吸引力小于內(nèi)部液相分子對它的吸引力，所以該分子所受合力不等于零，其合力方向垂直指向液體內(nèi)部，結果導致液體表面具有自動縮小的趨勢，這種收縮力稱為表面張力。表面張力是物質(zhì)的特性，其大小與溫度和界面兩相物質(zhì)的性質(zhì)有關。

固體的表面張力不宜測得，通常是用液體在固體表面上的接觸角的大小來計算。接觸角法操作簡單，應用廣泛，是目前估算表面張力最常用的方法。

1.2 接觸角和Young方程

將少量液體滴在固體表面，液體可能形成液滴，在達到平衡時，處于固體表面上的液滴會保持一定的液體形狀，這是體系在三個界面張力平衡作用下的結果。接觸角是指在氣、液、固三相交點處所作的氣-液界面的切線穿過液體與固-液交界線之間的夾角θ，是潤濕程度的量度。如圖1所示。

固-氣、液-固、液-氣這三個界面張力的平衡關系可以用Young方程表達[3]：

γSG=γLGcosθ+γSL

(1)

式中，γSG、γSL和γLG分別表示固-氣、液-固、液-氣界面張力，θ為接觸角。

圖 1 液體在固體表面的接觸角

Fig.1 The contact angle of liquid on the solid surface

Young方程中的接觸角是在假定固體表面光滑、化學均質(zhì)、剛性、各向同性且無化學反應，并且認為三相接觸線上的線張力可以忽略不計的理想狀態(tài)下的接觸角。但在實際的固體表面，通常測量得到的接觸角的值是在一個范圍內(nèi)，并不是唯一的值。朱定一等[4]在分析總結前人研究的基礎上，推導出計算固體表面張力的新方法。通過建立有限液-固界面體系的張力平衡，推導出在無限液-固界面系統(tǒng)中，液-固界面張力和固相表面張力的關系式：

(0<θ≤180°)

(2)

(0<θ≤180°)

(3)

式(2)、(3)表明γSG、γSL僅是液相表面張力γLG和接觸角θ的函數(shù)，只要知道一種液體的γLG和這一液體在固相表面的接觸角θ就可以計算得到γSG(固-氣界面張力)。

2 接觸角的測量方法

接觸角的測量方法根據(jù)直接測量物理量的不同可以分為量角法、透過法、測力法和長度法[5]。量角法直觀，但測試結果受操作者影響，誤差較大；透過法適用于固體粉末；測力法運用電子天平，讀數(shù)較精確，德國KRUSS公司的動態(tài)表面能分析儀基于此方法設計制造；長度法形式之一的小液滴法(球冠)是當液滴足夠小時，重力可以忽略，液滴是理想的球冠型，測量在固體平面上小液滴的高度(h)和寬度(2r),二者關系可以表示為如下公式：

sinθ=2hr/(h2+r2)

(4)

通過測量h和r，可以根據(jù)公式(4)計算出接觸角θ。本次實驗采用的美國FTA公司的表面張力動態(tài)接觸角分析系統(tǒng)依據(jù)此原理設計制造。該方法受操作者影響較小，誤差小，但公式(4)需滿足一些假設條件，這些條件在實際測量中可能無法滿足，如液滴的體積不是非常小，重力影響不能忽略，液滴在粗糙表面、多相表面的接觸角不是軸對稱，因此會帶來一些誤差。

本次實驗選用運用此原理的美國FTA儀器，是基于被測樣品的特點，寶玉石本身體積小，對測試液滴的尺寸要求較小，且寶玉石表面經(jīng)過拋光后較為光滑，可能造成的誤差較小。

2.1 測量方法

2.1.1 測量儀器

儀器采用美國FTA公司生產(chǎn)制造的表面張力測試儀，可測量被測物體的表面張力和接觸角，測試儀器型號為FTA200(圖2)。該儀器能夠精確地顯示液滴的外觀，并裝備了易于調(diào)整的樣品臺，內(nèi)置計算機控制的進樣系統(tǒng)定位方便，可控制小劑量給樣。使用的控制液滴大小的測試針頭是27 Gauge(圖3)。

圖 2 FTA200表面張力儀

Fig.2 FTA200 dynamic surface tension meter

圖3 控制液滴大小的針頭(針頭標準：27 Gauge)

Fig.3 The needle for controlling the droplet size

2.1.2 實驗樣品及測量過程

(1)實驗樣品

本次實驗選用鉆石、鍍膜鉆石、合成碳硅石、合成立方氧化鋯(CZ)、紅寶石、合成紅寶石、藍寶石、合成藍寶石、橄欖石、透輝石、長石、黃水晶、碧璽、充填碧璽、托帕石、覆膜托帕石、翡翠、覆膜翡翠、琥珀、覆膜琥珀共計21粒。

選用去離子水作為檢測液體。

實驗儀器誤差為1%。

(2)測量過程

在相同實驗條件下分別對21粒待測樣品逐一清洗，進行測試并記錄數(shù)據(jù)。具體測量步驟如下。

①用酒精清潔樣品表面。

②將待測樣品放置在樣品臺上，固定寶石并使寶石待測表面水平。

③使用計算機軟件調(diào)節(jié)控制液體體積及液滴速率，待液滴穩(wěn)定后，微調(diào)樣品臺，使液滴與樣品臺上的樣品觸碰，測量樣品的接觸角。

測試樣品信息及其接觸角測量值見表1。

3 寶玉石接觸角的測量結果和表面張力計算

3.1 不同品種和不同處理方法的寶玉石的接觸角

3.1.1 不同品種的天然和合成寶玉石的表面接觸角

運用FTA200測量天然、合成寶玉石表面接觸角的方法簡便實用。經(jīng)測試得到 15種寶玉石的接觸角數(shù)值分別為：鉆石(56.68°)、合成碳硅石(52.63°)、合成立方氧化鋯(37.79°)、紅寶石(73.99°)、合成紅寶石(77.41°)、藍寶石(74.95°)、合成藍寶石(74.42°)、碧璽(58.08°)、橄欖石(59.14°)、透輝石(44.28°)、長石(39.91°)、黃水晶(37.33°)、托帕石(29.48°)、翡翠(44.40°)、琥珀(92.49°)。實驗數(shù)據(jù)表明不同品種寶玉石有著不同的接觸角值，利用接觸角值可以有效地區(qū)分部分寶玉石品種。本次實驗與Nassau博士等[2]的實驗數(shù)據(jù)鉆石(55°～47°)、合成碳硅石(66°～58°)接近，實驗條件及操作儀器的區(qū)別導致了結果的偏差。在測試過程中，相同品種的接觸角數(shù)值并不是固定的一個值，存在誤差波動。

3.1.2 覆膜處理寶玉石的表面接觸角

本文首次對于經(jīng)過覆膜處理的寶石樣品進行測試。實驗測試數(shù)據(jù)表明，天然鉆石(56.68°)、托帕石(29.48°)、翡翠(44.40°)和琥珀(92.49°)分別與經(jīng)過覆膜的鉆石(33.33°)、托帕石(55.49°、54.04°)、翡翠(50.21°)和琥珀(63.35°、69.48°)的接觸角數(shù)值均有明顯差異。以琥珀樣品為例，天然琥珀樣品019(如圖4)，為一個球形珠切開一半，利用切開的平面測得該樣品接觸角為92.49°；覆藍綠色膜的琥珀樣品020(如圖5)，圓盤狀，底部平面覆有一層藍綠色薄膜，測得覆膜平面樣品的接觸角為63.35°；覆棕紅色膜的琥珀樣品021(如圖6)，花朵造型的一部分，表面覆棕紅色薄膜，測得覆膜平面樣品的接觸角為69.48°。樣品019與覆膜樣品020、021的接觸角數(shù)值差異顯著，樣品020與021同為覆膜，但由于膜本身的差異性和測試誤差，實驗數(shù)值并不相同。

表 1 測試樣品信息及其接觸角測量值

Table 1 The basic information of test samples and their measured contact angles

樣品編號樣品名稱顏色琢型接觸角測量值(°)接觸角測量圖片備注001鉆石無色圓形刻面56．68天然002鉆石無色圓形刻面33．33鍍膜處理003合成碳硅石綠色圓形刻面52．63合成004CZ無色橢圓刻面37．79合成005紅寶石紅色橢圓弧面73．99天然006合成紅寶石紅色橢圓刻面77．41合成007藍寶石藍色橢圓刻面74．95天然008合成藍寶石藍色水滴形刻面74．42合成009橄欖石黃綠色橢圓刻面59．14天然

(續(xù)表 1)

(續(xù)表 1)

圖 4 樣品019天然棕紅色琥珀樣品，其中一面具有光滑的平面Fig.4 The brownish red amber sample (No.019)

圖 5 樣品020黃色琥珀底面覆藍綠色膜Fig.5 The yellow amber with green coated bottom (No.020)

圖 6 樣品021黃色琥珀覆棕紅色膜Fig.6 The brownish red amber with brownred coated bottom (No.021)

3.1.3 充填處理寶玉石的表面接觸角

表1中所列的碧璽樣品013-1和013-2是同一個碧璽樣品的兩部分(如圖7)，013-1的接觸角數(shù)值58.08°為碧璽樣品下半部分無裂隙出露的光滑平面部分的測試數(shù)值，013-2的接觸角數(shù)值45.80°為該碧璽上半部大量裂隙出露并有充填物存在部分的測試數(shù)值，實驗數(shù)據(jù)表明二者的接觸角數(shù)值存在差異。由于裂隙中存在充填物，理論上液滴處于充填物測試的數(shù)據(jù)和液滴處于碧璽自身表面測試的數(shù)據(jù)不同，以此可以進行區(qū)分。但寶石表面的裂隙出露面較小，限于目前針頭的尺寸，27Gauge標準的針頭滴出的液滴會將裂隙處全部覆蓋，并溢出到未充填部分，滴到裂隙表面的液滴不能完全控制在裂隙面內(nèi)，因此受控制液滴針頭大小的影響，測試結果不能準確表達為裂隙中充填物的接觸角數(shù)值。若控制液滴的針頭能夠盡可能小，液滴可以剛好落在充填裂隙的物質(zhì)中，測量出充填物質(zhì)的接觸角數(shù)值，便可進行區(qū)分。

圖 7 樣品013上半部分(013-2)有裂隙出露，下半部分(013-1)沒有裂隙出露面Fig.7 A crack in the upper part of sample No.013, no in the lower part

3.1.4 測量接觸角數(shù)值的影響因素

接觸角值的測量與樣品表面性質(zhì)[6](粗糙程度、表面單一程度)，表面清潔程度，表面干燥程度及液滴接觸時間、液體種類、液滴體積等均有關系，此外，測量儀器的精準度也是重要影響因素之一。本次實驗采用測試液體為去離子水，較Nassau博士等[2]采用的蒸餾水干擾更小，測試結果更精準，若條件允許，最佳的測試液體為高純水(二次蒸餾水)，以去除干擾保證實驗的準確性；采用酒精統(tǒng)一清潔并干燥了測試樣品，與Nassau等[2]采用的清洗劑三氯甲烷不同，清洗劑的影響本文尚未深入研究；測試儀器采用現(xiàn)代表面張力動態(tài)接觸角分析系統(tǒng)美國FTA200，該儀器較Nassau等[2]當時的小型簡單裝置有著絕對優(yōu)勢，儀器對于液滴接觸時間和液滴體積的控制精準， 測量數(shù)值誤差相對較小。與此同時，測量實驗顯示出該儀器對于珠寶玉石表面接觸角的測量尚有欠缺，若可在儀器中添加高倍顯微鏡模塊，利用高倍顯微鏡觀察珠寶玉石表面的細微之處的同時配合更細的針頭，對于珠寶鑒定領域?qū)⒏舆m用。

3.2 表面張力的計算

根據(jù)張遠超等[7]在研究高聚物表面張力時，采用液態(tài)純凈水利用上述公式(3)計算得出的表面張力數(shù)值具有很好的一致性，利用測量的各品種寶玉石的接觸角，根據(jù)式(3)計算其表面張力。

(3)

式中，γSG為固體表面張力，γLG為液體表面張力。

本次實驗已知水的表面張力72.8 mN/m(20℃)，利用公式計算得出各寶玉石品種的表面張力分別為：鉆石67.4 mN/m，合成碳硅石68.6 mN/m，合成立方氧化鋯(CZ)71.5 mN/m，紅寶石60.5 mN/m，合成紅寶石58.8 mN/m，藍寶石60.1 mN/m，合成藍色寶石60.3 mN/m，橄欖石66.6 mN/m，透輝石70.5 mN/m，長石71.2 mN/m，黃水晶71.5 mN/m，碧璽67 mN/m，托帕石72.3 mN/m，翡翠70.4 mN/m，琥珀49.9 mN/m。從表面張力數(shù)值的差異可以看出，部分不同品種寶玉石的表面張力數(shù)值有較大差異，如鉆石67.4 mN/m，紅寶石60.5 mN/m，琥珀49.9 mN/m；也有部分其表面張力數(shù)值較為接近，如長石71.2 mN/m，黃水晶71.5 mN/m。因此，表面張力數(shù)值僅可作為寶玉石品種的輔助鑒定依據(jù)。

4 表面接觸角測量方法與傳統(tǒng)檢測方法的對比

4.1 與紅外光譜檢測方法對比

目前在各大珠寶鑒定實驗室，紅外光譜檢測已成為日常檢測中最高效的檢測方法之一，能夠基本解決日常的檢測疑難問題，但對于某些樣品須進行破壞性測試。例如，對于近來大規(guī)模出現(xiàn)的覆膜琥珀，實驗室均采用紅外光譜測試配合放大檢查、紫外熒光等常規(guī)寶石學測試進行鑒別，對無色覆膜琥珀必須進行有損檢測[8]。本次實驗對樣品019、020、021分別進行了紅外光譜測試(粉末法)，如圖8所示，覆膜琥珀021、020與天然琥珀019在650～1300 cm-1區(qū)域(圖中陰影部分)內(nèi)吸收峰有明顯差異，依此可進行判別。

運用FTA200動態(tài)接觸角儀對覆膜琥珀表面接觸角的測量可以在不破壞樣品的基礎上進行快速的無損檢測，且測試結果差異明顯，琥珀(92.49°)，覆膜琥珀(63.35°、69.48°，平均值為66.49°)。表面接觸角測量方法可以作為覆膜琥珀無損檢測的有效鑒定手段。

圖 8 樣品019、020、021的紅外吸收光譜(KBr粉末法)Fig.8 Infrared spectra of No.019, No.020, No.021a—樣品021琥珀覆棕紅色膜；b—樣品020琥珀覆藍綠色膜；c—樣品019天然琥珀。

4.2 與折射率測量方法對比

折射率測量方法是常規(guī)寶石鑒定中最基礎、最便捷有效的檢測方法之一，能夠基本解決所有寶玉石品種的基礎數(shù)據(jù)測定，但折射率大于1.81的接觸液具有極強的腐蝕性和劇毒，因此對于高折射率寶石的測定帶來困難。例如，鉆石的折射率為2.417，合成碳硅石2.648～2.691，合成立方氧化鋯(CZ)2.15±，折射率無法測定。

運用FTA200動態(tài)接觸角儀對表面接觸角的測量，可以有效地區(qū)分鉆石(56.68°)、合成碳硅石(52.63°)、合成立方氧化鋯(37.79°)等不同品種。表面接觸角測量方法安全環(huán)保，可以很好地解決高折射率寶石的品種鑒定，可作為實驗室有效檢測方法和實驗室檢測的輔助鑒定依據(jù)。

5 結語

本次實驗運用FTA200動態(tài)接觸角測量儀，測量了15個天然、合成寶玉石品種，以及覆膜處理和充填處理2種處理方法共計21粒寶玉石樣品的接觸角數(shù)值，并對經(jīng)過覆膜處理的寶石與天然寶石的表面接觸角進行了對比研究，同時與紅外光譜和折射率傳統(tǒng)常規(guī)檢測方法進行比較。實驗結果表明，動態(tài)接觸角測量儀測量準確、操作簡便，且符合寶玉石無損鑒定的基本原則，具有紅外光譜和折射儀測量缺陷的明顯優(yōu)勢。不同品種和不同處理方法的寶石，運用其接觸角和表面張力的差異性可進行較好的判別，尤其是對于表面覆膜處理的樣品可進行有效區(qū)分。

本文對寶玉石的接觸角和表面張力領域的初步探討，研究結果可以為解決寶玉石表面覆膜等與表面物性相關的檢測疑難問題提供參考。實驗發(fā)現(xiàn)，充填處理寶玉石接觸角的測量受測試條件限制具有較大操作難度，本項目組設想若在儀器中添加高倍顯微鏡模塊，方便觀察樣品微細特征的基礎上可以開展更深入的研究，對各類珠寶玉石材料采集表面物性數(shù)據(jù)，實現(xiàn)科學準確、快速有效的測試和鑒別。

[1] 羅曉斌，朱定一，石麗敏.基于接觸角法計算固體表面張力的研究進展[J].科學技術與工程,2007,7(19):4997-5003.

[2] Nassau K, Schonhorn H.The contact angle of water on gems[J].Gem&Gemology, 1977-1978,(12):354-360.

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[5] 丁曉峰，管蓉，陳沛智.接觸角測量技術的最新進展[J].理化檢驗(物理分冊)，2008,44(2):84-89.

[6] 陳曉磊.固體聚合物表面接觸角的測量及表面能研究[D].長沙：中南大學,2012.

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[8] 王民民，李海波，李梅，丁佩.琥珀及其相似品實驗室檢測方法探討[C]//中國珠寶首飾學術交流會論文集.北京：國土資源部珠寶玉石首飾管理中心，2013:136-138.

Application of Surface Contact Angle and Surface Tension Measurements in the Identification of Gem Materials

BAOXue1,LUTai-jin1,WEIRan1,ZHANGYong1,LIHai-bo2,CHENHua1,KEJie3

(1.Gem & Jewelry Institute of Beijing, Ministry of Land and Resources, Beijing 100013, China; 2.National Gemstone Testing Center, Beijing 100013, China; 3.National Gems & Jewelry Technology Administrative Center, Beijing 100013, China)

Surface tension is one of the important physical and chemical parameters of the solid surface, which is closely related to temperature and properties of the phases between the boundaries. Based on the Young function, the contact angle measurement method to calculate the solid surface tension has been widely used in surface science and engineering Comparing to other solid materials with inhomogeneous surface, most gemstones have a smooth surface, making it easy to measure the contact angle. In this study, the contact angle of 15 different types of natural and synthetic gemstones including diamond, moissanite, CZ, tourmaline, topaz, jade, amber. And some coated gemstones and fissure filled gemstones have been measured and compared using a dynamic contact angle testing device (FTA200). It was found that the differences in the contact angle for different types of natural and synthetic gemstones are suitable to be used in gemstone identification. For example, contact angle value of diamond and CZ is 56.68° and 37.79°, respectively. Furthermore, the contact angle values between the gemstone and gems with coating process have significant differences, such as the contact angle value of amber is 92.49°, while coated amber is 66.49°. Due to the limitations of the droplet size control restricted by experimental conditions, the contact angle of the fissure-filled gemstones cannot be measured accurately. Herein, this method is not suitable to identify gemstones with artificial fillings. Research shows that contact angle and surface tension values can be used as the basis of supplementary identification of gem species, especially for coated gems. Compared with the conventional gem identification methods (e.g. Infrared Spectrum, the refractive index measurement), contact angle measurement method has higher measuring accuracy, simple operation without destroying the sample, and conforms to the basic principles of gemstone nondestructive identification, especially for high refractive index gem. Contact angle measurement can solve the detection problems for surface-coated gems and related surface property.

contact angle; surface tension; gemstone; coating treatment; filling treatment; identification

2014-03-27；

2014-05-05； 接受日期： 2014-06-20

鮑雪，助理研究員，主要從事珠寶玉石評估管理和寶玉石表面物性研究工作。E-mail： baoxue1229@163.com。

0254-5357(2014)05-0681-09

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