二氧化鈦（TiO2）材料因優秀的光催化性能，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表面發生從疏水到親水的浸潤轉變。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變現象，包括表面氧缺陷、表面水解離產生OH、表面污染物吸附/解離等，但該領域一直存在爭議。實際上，該領域有一些基本問題，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，進而基于傳統力場+機器學習訓練力場的經典分子動力學模擬進一步發現，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發生從疏水到親水的浸潤轉變的機制：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），提出宏觀疏水和微觀親水共存于一個表面即分子尺度親水性。后續，較多課題組在理論和實驗上在不同材料中均發現該現象，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例（但該表面上是雙層水結構），并運用該理論解決了領域內長期存在的問題。

相關研究成果發表在Chemical Science上。研究工作得到國家自然基金優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。