二氧化鈦（TiO2）材料因優(yōu)秀的光催化性能，應用于化妝品、抗菌除污和催化體系等。1997年，日本科學家藤島昭等在《自然》上首次報道了常溫下紫外照射的TiO2表面發(fā)生從疏水到親水的浸潤轉(zhuǎn)變。近年來，許多課題組提出了較多不同的機制解釋這一親疏水轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，包括表面氧缺陷、表面水解離產(chǎn)生OH、表面污染物吸附/解離等，但該領(lǐng)域一直存在爭議。實際上，該領(lǐng)域有一些基本問題，例如，常溫下TiO2表面到底是親水還是疏水的基本問題，尚不完全清楚。

中國科學院上海高等研究院研究員王春雷、高嶷，聯(lián)合美國賓夕法尼亞大學教授J.Francisco、復旦大學劉韡韜實驗課題組、中科院上海應用物理研究所、中科院理論物理研究所，以TiO2的Rutile晶型110面為例，通過表面和頻振動光譜理論計算和實驗發(fā)現(xiàn)常溫下該表面上由于強的TiO2/水的相互作用存在雙層有序水，進而基于傳統(tǒng)力場+機器學習訓練力場的經(jīng)典分子動力學模擬進一步發(fā)現(xiàn)，該有序水導致水層上水滴存在（接觸角約25度），即出現(xiàn)了常溫不完全浸潤的雙層有序水現(xiàn)象。這為探究常溫TiO2表面浸潤性提出了全新機制：TiO2表面自身是超親水的，但表面吸附的有序水層體現(xiàn)出弱疏水現(xiàn)象。這解決了本征TiO2表面的親疏水性問題的基本問題。進一步，基于這一新機理，我們可以探索紫外照射TiO2發(fā)生從疏水到親水的浸潤轉(zhuǎn)變的機制：表面OH或者氧缺陷會破壞表面有序水層，進而增強表面水層的親水性。而表面吸附甲酸乙酸分子可以有效的驅(qū)替表面水分子，造成表面更加疏水，這解釋了該材料在空氣中放置時間久以后接觸角更大（約45度）的現(xiàn)象。

2009年，王春雷等理論預言了常溫下不完全浸潤的有序單層水現(xiàn)象（Phys.Rev.Lett.,2009,103,137801），提出宏觀疏水和微觀親水共存于一個表面即分子尺度親水性。后續(xù)，較多課題組在理論和實驗上在不同材料中均發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象，如重金屬Pt和Pd、氧化物SiO2和Al2O3，以及滑石和羧基自組裝單分子層表面等，表明該現(xiàn)象廣泛存在。而TiO2體系是該理論的又一實例（但該表面上是雙層水結(jié)構(gòu)），并運用該理論解決了領(lǐng)域內(nèi)長期存在的問題。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Chemical Science上。研究工作得到國家自然基金優(yōu)秀青年科學基金項目/面上項目、中科院青年科學促進會的支持。

以TiO2的Rutile晶型110表面為例，和頻共振光譜實驗與理論發(fā)現(xiàn)常溫下該表面上有序雙層水結(jié)構(gòu)，且該有序結(jié)構(gòu)導致水層上水滴存在。