表面自由エネルギーとは | 研究開発を支援する界面科学測器の専門メーカー：協和界面科学株式会社

固体表面上の液滴の接触角θは、固体の表面張力γS、液体の表面張力γL、固体と液体の界面張力γSLの３つが釣り合うことで決まります。 これを数式で表したものがYoungの式です。

一般的に表面張力とぬれ性の関係は

液体の表面張力が小さい　→　接触角が小さい（ぬれやすい）
液体の表面張力が大きい　→　接触角が大きい（ぬれにくい）

の関係が成り立ち、これは様々なアプリケーションでぬれや接着の制御に活かされています。

ところが現実的には、上記の関係が成り立たないケースも存在します。 このような場合においては、表面自由エネルギーと成分分けの概念を導入した手法が有効です。

分子間力は、その働き方の機構によって分散力、配向力、誘起力、水素結合力に分類され、このうち水素結合以外の３つをvan der waals 力と呼びます。表面自由エネルギーが分子間力の働きに起因する以上、ここでもその機構に基づいた分類が考えられます。これが表面自由エネルギーの成分分け（ γ = γd + γp + γh ）の概念につながり、表面張力の大きさだけで、ぬれの関係が成り立たないような現象の解明に役立ちます。 以下に分子間力と表面自由エネルギーの成分分けの関係を示します。

下記は、先の表面張力値の大小とぬれ性の関係が成り立たない現象の一例です。これはヘキサンよりも表面張力が高い水が、ガラスに対してはヘキサンと同等以上にぬれるという現象ですが、この理由は、水の表面自由エネルギー成分がガラスの表面自由エネルギー成分に近いからといえます。このことからも物質同士の界面においては、表面自由エネルギーの大小よりも、それぞれの表面自由エネルギーの成分値が近いもの同士ほど、よく「ぬれる」あるいは「接着する」ことになります。よって表面自由エネルギーの成分分けの概念を導入することで、ぬれのメカニズムをより深く追及でき、ぬれ性制御への応用範囲も広がります。

固体と液体のぬれ性や固体と固体の接着性は以下のような式で求められます。

とします。
これで、表面自由エネルギー成分が既知の液体試料3種（2成分の場合は2種）について接触角を測定し、連立3元1次方程式（連立2元1次方程式）によって固体の表面自由エネルギー各成分のγds、γps、γhsと固体と液体の付着仕事WSL、固体と液体の界面自由エネルギーγSLが求まります。

表面自由エネルギー接触角計では以下の５つの理論式を採用しております。

一方、表面自由エネルギーの考え方は上記以外にも多種多様な理論が乱立しており、成分分けを否定する考え方も存在します。その意味では、解析 技術としては十分に確立された手法とはいい難く、解析者自身が最良の方法を試行錯誤して探っていくしかないというのが実情です。 それからすると、決して表面自由エネルギーの解析結果だけを鵜呑みにして結論付けるのではなく、例えばXPSなど他の表面分析の解析手法と併せて相補的に活用していくことが望ましいといえます。 すなわち、表面自由エネルギーの解析結果をある予想や結論を裏付けるためのバックアップデータの一つとして利用することが現実的であるといえ ます。