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(xué)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變。近年來(lái)，許多課題組提出了較多不同的機制解釋這一親疏水轉變現象，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(shí)際上，該領(lǐng)域有一些基本問(wèn)題，例如，常溫下TiO2表面到底是親水還是疏水的基本問(wèn)題，尚不完全清楚。

中國科學(xué)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(xué)教授J.Francisco、復旦大學(xué)劉韡韜實(shí)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(guò)表面和頻振動(dòng)光譜理論計算和實(shí)驗發(fā)現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(jìn)而基于傳統力場(chǎng)+機器學(xué)習訓練力場(chǎng)的經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)一步發(fā)現，該有序水導致水層上水滴存在（接觸角約25度），即出現了常溫不完全浸潤的雙層有序水現象。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出弱疏水現象。這解決了本征TiO2表面的親疏水性問(wèn)題的基本問(wèn)題。進(jìn)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變的機制：表面OH或者氧缺陷會(huì )破壞表面有序水層，進(jìn)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(shí)間久以后接觸角更大（約45度）的現象。

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象（Phys.Rev.Lett.,2009,103,137801），提出宏觀(guān)疏水和微觀(guān)親水共存于一個(gè)表面即分子尺度親水性。后續，較多課題組在理論和實(shí)驗上在不同材料中均發(fā)現該現象，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，表明該現象廣泛存在。而TiO2體系是該理論的又一實(shí)例（但該表面上是雙層水結構），并運用該理論解決了領(lǐng)域內長(cháng)期存在的問(wèn)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(xué)基金項目/面上項目、中科院青年科學(xué)促進(jìn)會(huì )的支持。

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