二(er)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)鈦（TiO2）材料(liao)因優秀的(de)(de)光催(cui)化(hua)(hua)(hua)性能，應用于化(hua)(hua)(hua)妝品、抗菌除(chu)污(wu)和催(cui)化(hua)(hua)(hua)體(ti)系等(deng)(deng)。1997年，日本(ben)科學(xue)家藤島昭等(deng)(deng)在(zai)《自然》上(shang)首次報道了常溫下紫外照射(she)的(de)(de)TiO2表(biao)面(mian)發(fa)生從疏(shu)水(shui)到(dao)親水(shui)的(de)(de)浸潤(run)轉變。近年來，許多課題組提出了較多不(bu)同(tong)的(de)(de)機(ji)制解(jie)釋這一親疏(shu)水(shui)轉變現象，包括(kuo)表(biao)面(mian)氧(yang)缺陷、表(biao)面(mian)水(shui)解(jie)離產生OH、表(biao)面(mian)污(wu)染物吸附/解(jie)離等(deng)(deng)，但(dan)該領(ling)域一直(zhi)存在(zai)爭(zheng)議。實際上(shang)，該領(ling)域有(you)一些基本(ben)問題，例(li)如，常溫下TiO2表(biao)面(mian)到(dao)底是親水(shui)還(huan)是疏(shu)水(shui)的(de)(de)基本(ben)問題，尚不(bu)完全(quan)清楚(chu)。

中國(guo)科(ke)學(xue)院上(shang)(shang)海(hai)高(gao)等研(yan)究(jiu)院研(yan)究(jiu)員(yuan)王春雷、高(gao)嶷，聯合美國(guo)賓夕法尼亞(ya)大(da)學(xue)教授(shou)J.Francisco、復旦大(da)學(xue)劉韡韜(tao)實(shi)驗課題(ti)組(zu)、中科(ke)院上(shang)(shang)海(hai)應(ying)用物理(li)研(yan)究(jiu)所、中科(ke)院理(li)論物理(li)研(yan)究(jiu)所，以TiO2的(de)(de)Rutile晶(jing)型110面(mian)(mian)(mian)(mian)為(wei)例，通過表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)和頻振動光譜理(li)論計算和實(shi)驗發(fa)現常溫下(xia)該(gai)(gai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)上(shang)(shang)由于(yu)強的(de)(de)TiO2/水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)相互(hu)作(zuo)用存在(zai)雙層(ceng)有(you)序(xu)水(shui)(shui)(shui)，進(jin)(jin)而基(ji)(ji)于(yu)傳統力(li)場+機器學(xue)習訓練力(li)場的(de)(de)經典分(fen)子動力(li)學(xue)模擬進(jin)(jin)一步發(fa)現，該(gai)(gai)有(you)序(xu)水(shui)(shui)(shui)導(dao)致水(shui)(shui)(shui)層(ceng)上(shang)(shang)水(shui)(shui)(shui)滴存在(zai)（接(jie)觸角(jiao)約25度(du)），即(ji)出(chu)(chu)現了(le)常溫不(bu)完全浸(jin)潤(run)的(de)(de)雙層(ceng)有(you)序(xu)水(shui)(shui)(shui)現象(xiang)。這(zhe)為(wei)探究(jiu)常溫TiO2表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)浸(jin)潤(run)性(xing)(xing)提出(chu)(chu)了(le)全新(xin)機制(zhi)：TiO2表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)自身是(shi)超親水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)，但(dan)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)吸(xi)附的(de)(de)有(you)序(xu)水(shui)(shui)(shui)層(ceng)體(ti)現出(chu)(chu)弱疏(shu)水(shui)(shui)(shui)現象(xiang)。這(zhe)解決了(le)本征TiO2表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)的(de)(de)親疏(shu)水(shui)(shui)(shui)性(xing)(xing)問(wen)題(ti)的(de)(de)基(ji)(ji)本問(wen)題(ti)。進(jin)(jin)一步，基(ji)(ji)于(yu)這(zhe)一新(xin)機理(li)，我們(men)可(ke)以探索紫外照(zhao)射TiO2發(fa)生(sheng)從疏(shu)水(shui)(shui)(shui)到親水(shui)(shui)(shui)的(de)(de)浸(jin)潤(run)轉變的(de)(de)機制(zhi)：表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)OH或者氧(yang)缺(que)陷(xian)會破壞(huai)表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)有(you)序(xu)水(shui)(shui)(shui)層(ceng)，進(jin)(jin)而增強表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)水(shui)(shui)(shui)層(ceng)的(de)(de)親水(shui)(shui)(shui)性(xing)(xing)。而表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)吸(xi)附甲酸乙(yi)酸分(fen)子可(ke)以有(you)效(xiao)的(de)(de)驅(qu)替表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)水(shui)(shui)(shui)分(fen)子，造成表(biao)面(mian)(mian)(mian)(mian)更加疏(shu)水(shui)(shui)(shui)，這(zhe)解釋(shi)了(le)該(gai)(gai)材料(liao)在(zai)空(kong)氣中放置時間久以后接(jie)觸角(jiao)更大(da)（約45度(du)）的(de)(de)現象(xiang)。

2009年，王春雷(lei)等理(li)(li)論預言了(le)常溫下不完(wan)全浸潤(run)的有序單(dan)層(ceng)(ceng)水(shui)現(xian)象（Phys.Rev.Lett.,2009,103,137801），提出宏觀疏水(shui)和微觀親水(shui)共(gong)存于一個表(biao)面(mian)即分子尺度親水(shui)性。后續，較多課題(ti)組在(zai)理(li)(li)論和實驗上在(zai)不同材料中均發(fa)現(xian)該(gai)現(xian)象，如(ru)重金屬Pt和Pd、氧化(hua)物SiO2和Al2O3，以(yi)及滑石(shi)和羧(suo)基自組裝單(dan)分子層(ceng)(ceng)表(biao)面(mian)等，表(biao)明該(gai)現(xian)象廣泛存在(zai)。而TiO2體系是該(gai)理(li)(li)論的又一實例（但該(gai)表(biao)面(mian)上是雙層(ceng)(ceng)水(shui)結構），并運用該(gai)理(li)(li)論解決了(le)領域內長期(qi)存在(zai)的問題(ti)。

相關研(yan)究(jiu)成果發表(biao)在Chemical Science上。研(yan)究(jiu)工作得到(dao)國家(jia)自然(ran)基(ji)金(jin)優秀(xiu)青(qing)年科學(xue)(xue)基(ji)金(jin)項目/面上項目、中科院青(qing)年科學(xue)(xue)促(cu)進會的支(zhi)持。

以TiO2的Rutile晶型110表面(mian)為例，和頻共振(zhen)光譜實驗(yan)與理論發現常溫下該(gai)(gai)表面(mian)上有(you)序雙層水結構，且(qie)該(gai)(gai)有(you)序結構導致水層上水滴存在。