超疏水的性質，定義上是指水滴在表面接觸角到達150°以上，
即可稱材料具有超疏水性；而以能量的觀點來看，超疏水表面擁有比 一般表面更低的表面能。因此，要得知材料的接觸角，我們可利用 Young’s equation，來探討當水滴在材料表面形成時，其接觸角與各相 介面能之間的關係。Young’s equation 的表示式為；
Cosθ=(γsv-γsl)/ γlv
其中 γsv、γsl、γlv分別為固氣、固液及液氣界面單位面積的自由 能。
但Young’s equation 只能應用在完全平坦表面的接觸角計算
接觸角理論值，就必須就現有的理論進行修正。一般來說，用來解釋 粗糙表面的接觸角有兩個理論模型，一個是 Wenzel 理論，另一個則 是Cassie-Baxter 理論。底下就兩個理論模型作介紹【2,59-60】
1. Wenzel 理論
Wenzel 理論是假設液滴在粗糙表面上時，其接觸行為是完全填 滿表面的凹陷部分，也就是潤濕表面(wetted surface)，那麼液滴在表 面的接觸角可用下列公式來表示:
Cosθrw= r Cosθe
其中 Cosθrw為液滴在粗糙表面上的接觸角，r 為粗糙度指數 (roughness factor)，定義為表面實際與液滴的接觸面積與其水平投影 面積的比值，Cosθe為同材料平坦表面時的接觸角。由於粗糙度指數 必定大於1，因此材料不論是親水性或是疏水性，在 Wenzel 理論模 型下，材料親疏水性皆會由於粗糙表面的形成而獲得加強的效果
【61】。
2. Cassie-Baxter 理論
Cassie-Baxter 理論是假設液滴在粗糙表面上時，並未與表面進行 完全接觸，而是停留在表面結構的最頂端，材料表面結構之間仍存在 著許多空氣包(air package)，這種非潤濕的表面又被稱為複合表面 (composite surface)。Cassie-Baxter 理論公式如下:
Cos θrc = φS Cosθ + φAcos180° = -1 + φS (Cos θe + 1)
其中φs為表面與液滴接觸面積占總表面積之比例(其中
φA+φS=1，φA為接觸空氣之表面積之比例) ，Cos θe為同材料平坦表面 時的接觸角。在Cassie-Baxter理論中，假設空氣的接觸角為180°，而 正是存在於表面與液滴間的空氣，提升了粗糙表面接觸角【61】。
Young’s eauation與Wenzel及Cassie-Baxter理論下的水滴與表面接觸情 形如圖2-4-1所示：
圖 2-4-1 各理論下的水滴與表面接觸之示意圖 【2】
為了更清楚地了解粗糙表面與液體接觸情況，我們以一個擁有規
其中Wenzel曲線與Cassie曲線交會點為臨界點(critical point)，代 表的是所有低能階狀態所能達到的最大接觸角。在臨界點時兩個理論 會得到相同的接觸角，代表潤濕表面與複合表面在此點時表面能是相 同的。在臨界點時【60】:
γsl [(a + b)2 + 4aH] = γsl a2 + γlv (b2 + 2ab) + γsv (b2 + 2ab + 4aH)
在臨界點的接觸角為【60】:
( )( )
⎥⎦⎤⎢⎣
⎡ −
= − 1
1 /
/ 4
1 a H A Cosθe A
當間距尺寸比小於臨界點時的間距尺寸比((b/a)c)時，由於表面能 的緣故，液體與表面接觸較傾向於呈現複合表面的情形，反之則傾向 於潤濕表面。當間距尺寸比增大時，重力因素使液滴更易進入表面的 圖 2-4-3 理論接觸角值與間距尺寸比(b/a)之關係圖【62】
張力等的因素抵抗水滴流入空隙，表面殘存空氣小包而形成複合表 面，僅有在臨界點時兩個表面的表面能是相同的。在臨界點位置存在 一個能量障礙，在兩種不同型態的接觸行為的變換需要克服此能量障 礙【59】。而式子可以得知，表面結構深寬比(H/a)越大，臨界點所在 位置能障也就越大，其接觸角也越大【60】。要設計表面結構，在固 定a/H及θe的情況下，控制其他參數使表面能達到臨界點時的情形，
即時是從潤濕行為產生改變，接觸角也不會產生變化【60】，可形成 一個處於穩定態的超疏水表面。