(1) 首次理论预言了极性表面上会出现常温下“不完全浸润的有序单层水”（如图1所示)，即在水单层之上存在一个稳定的液滴，此时，强极性表面体现出表观疏水现象，工作以第一作身份发表在《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 2009, 103, 137801)，该工作被引250余次。我们工作很快引发一些理论及实验上的后续工作，包括美国科学院院士D. Chandler在内的许多科研人员跟进发现很多实际材料表面都看到了类似现象（如图2所示），如滑石表面，金属铂(100)、羟基化的氧化铝表面、羟基化的二氧化硅表面，德国课题组通过实验在蓝宝石表面上也发现类似现象，其中，美国的科研人员通过分子动力学模拟，用我们提出的原理成功解释了在滑石表面、羟基修饰的Al2O3和SiO2表面所看到的现象。Nature顾问编辑Philip Ball在《自然材料》给予评述 (Nat. Mater. 2013, 12, 289)。2014年，受邀以第一作者身份在《中国科学：物理、数学和天文学》撰写综述文章，总结了上述常温下“不完全浸润的有序单层水”的研究进展及应用前景(SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 2014, 57, 802-809)，包括可能应用于材料表面抗污染，减阻等，该文章是当期的“Hot Paper”，并获得美国科学促进会(AAAS)主办的著名网站EurekAlert!的评论(http://www.eurekalert.org/pub_releases/2014-07/scp-ssc071414. php)。
图1. 常温下，稳定的水滴出现在有序水层之上，即出现“不完全浸润的有序单层水”，图中蓝天白云代表常温下，绿色部分为固体表面，单层水分子仅用白色表示，液滴水分子由红色和白色球组成，红色代表氧原子，白色代表氢原子。
图2. 后续理论和实验所观察到的常温下“不完全浸润的有序单层水” 。a. 滑石表面 (J. Am. Chem. Soc. 133, 20521 (2011), b.代表羟基化Al2O3 ，c代表. SiO2 表面(J. Phys. Chem. C 116, 15962 (2012)), d. 代表Pt(100) 表面 (Proc. Natl. Acad. Sci. USA 110, 4200-4205 (2013)),e. Pd(100)面上( J. Phys. Chem. C, 119, 20409(2015))，f. 德国课题组通过实验在蓝宝石表面发现类似现象 (Adv. Colloid Interface Sci. 157, 61-74 (2010))。
(2) 抗冻蛋白是生活在寒冷区域的生物经过长期自然选择进化产生的一类用于防止生物体内结冰而导致生物体死亡的功能性蛋白质。但科研人员对抗冻蛋白在调控冰晶成核的机制一直有争议，即有些科研人员认为抗冻蛋白能促进冰核的形成，而另一些科研人员认为抗冻蛋白可以抑制冰核的生成。根据抗冻蛋白的冰结合面 (ice-binding face)和非冰结合面 (non-ice-binding face)具有截然不同官能团的特性，将抗冻蛋白定向固定于固体基底，选择性地研究了抗冻蛋白冰结合面与非冰结合面对冰核形成的影响。研究表明抗冻蛋白的不同面对冰核的形成表现出完全相反的效应：冰结合面促进冰晶成核，而非冰结合面抑制冰晶成核（图3）。通过分子动力学模拟进一步研究了抗冻蛋白的冰结合面和非冰结合面界面水的结构，发现了冰结合面上羟基和甲基有序间隔排列使得冰结合面上形成类冰水合层，从而促进冰核生成；而非冰结合面上存在的带电荷侧链及疏水性侧链，使得非冰结合面上的界面水无序，从而抑制冰核形成(图4)。揭示了抗冻蛋白对冰成核“Janus”效应分子层面的机制。该研究大大加深了人们对抗冻蛋白分子层面防冻机制的理解，同时对仿生合成防覆冰材料和低温器官保存材料有着重要的指导意义。相关结果发表在美国国家科学院院刊PNAS, 113, 14739，2016，引用130余次。
图3：通过定向固定抗冻蛋白，发现抗冻蛋白的冰结合面和非冰结合面对冰核形成的“Janus”效应。
图4：分子动力学模拟揭示了抗冻蛋白的冰结合面和非冰结合面上界面水性能具有显著差异，从而提供了抗冻蛋白对冰核形成具有的“Janus”效应的分子机制。
(3) 通过理论模拟预言了纳米受限空间内一些长链醇的双亲分子的溶解状态可以在分散与聚集之间双向转变，发现在纳米受限空间内的溶液中，一些长链醇(五元和六元醇)的双亲分子的溶解状态可以在分散与聚集之间双向转变如图5所示。通过建立理论模型，发现分散态和聚集态分别对应于系统自由能曲线上的两个极小值，两个状态之间自由能垒的大小与热扰动kBT保持在同一数量级上。这样，在热涨落环境中，系统会在两个状态之间发生自发地双向转变。相关论文以共同通讯作者身份发表在《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 2014, 112, 078301)。
图5. 受限空间中分散的戊醇分子(蓝色球)随着时间演化从分散状态(45 ns)逐渐聚集成核(绿色球)。在120 ns之后，聚集的分子又逐渐分散。