中科院等關於二氧化鈦表麵的親疏水轉化研究取得進展

星空体育app在线登录入口，二氧化鈦（TiO₂）材料因優(you) 秀的光催化性能，應用於(yu) 化妝品、抗菌除汙和催化體(ti) 係等。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表麵發生從(cong) 疏水到親(qin) 水的浸潤轉變。近年來，許多課題組提出了較多不同的機製解釋這一親(qin) 疏水轉變現象，包括表麵氧缺陷、表麵水解離產(chan) 生OH、表麵汙染物吸附/解離等，但該領域一直存在爭(zheng) 議。實際上，該領域有一些基本問題，例如，常溫下TiO₂表麵到底是親(qin) 水還是疏水的基本問題，尚不完全清楚。

中國科學院科學家團隊——上海高等研究院研究員王春雷、高嶷，聯合美國賓夕法尼亞(ya) 大學教授J. Francisco、複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麵為(wei) 例，通過表麵和頻振動光譜理論計算和實驗發現常溫下該表麵上由於(yu) 強的TiO₂/水的相互作用存在雙層有序水，進而基於(yu) 傳(chuan) 統力場+機器學習(xi) 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(wei) 探究常溫TiO₂表麵浸潤性提出了全新機製：TiO2表麵自身是超親(qin) 水的，但表麵吸附的有序水層體(ti) 現出弱疏水現象。這解決(jue) 了本征TiO₂表麵的親(qin) 疏水性問題的基本問題。進一步，基於(yu) 這一新機理，我們(men) 可以探索紫外照射TiO2發生從(cong) 疏水到親(qin) 水的浸潤轉變的機製：表麵OH或者氧缺陷會(hui) 破壞表麵有序水層，進而增強表麵水層的親(qin) 水性。而表麵吸附甲酸乙酸分子可以有效的驅替表麵水分子，造成表麵更加疏水，這解釋了該材料在空氣中放置時間久以後接觸角更大（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(qin) 水共存於(yu) 一個(ge) 表麵即分子尺度親(qin) 水性。後續，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麵等，表明該現象廣泛存在。而TiO2體(ti) 係是該理論的又一實例（但該表麵上是雙層水結構），並運用該理論解決(jue) 了領域內(nei) 長期存在的問題。

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