我国科学家用高分辨原子力显微镜全球首次“看见”氢键

　　近日，我国国家纳米科学中心研究员裘晓辉团队，利用原子力显微镜技术实现了对分子间局域作用的直接成像，在国际上首次直接观察到了分子间的氢键。这为科学家理解氢键的本质，进而改变化学反应和分子聚集体的结构奠定了基础。

　　氢键是自然界中最重要的分子间相互作用形式之一。虽然氢键的强度相对于共价键非常弱，但是对物质的性质有至关重要的影响，例如:氢键作用使得水能够在常温下以液态存在、DNA形成双螺旋结构、蛋白质形成二级结构等。

　　长久以来，科学界普遍认为氢键是一种弱的静电相互作用，然而近年来有实验证据显示氢键似乎有类似共价键的特性，即形成氢键的原子间也存在微弱的电子云共享。2011年，国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)推荐了氢键的新定义，但是有关氢键作用的本质这一问题的研究远没有结束。对氢键特性的精确实验测量，如作用位点、键角、键长、以及单个氢键强度，不仅有助于阐明氢键的本质，在原子/分子尺度上关于物质结构和性质的信息对于功能材料及药物分子的设计更有着重要意义。

　　国家纳米科学中心主任刘鸣华介绍，1936年，诺贝尔化学奖获得者Pauling在其出版的《化学键的本质》一书中，首次正式提出了氢键概念。但到目前，关于氢键的本质还无定论。此前，对氢键特性的研究主要借助于X射线衍射、红外和拉曼光谱、中子衍射等技术进行间接分析，但是从来没有真正地看到过氢键。如今，裘晓辉团队利用高分辨的原子力显微镜，第一次真实地看到了氢键。《科学》杂志的两位审稿人盛赞这项工作“是一项开拓性的发现”，“具有深远的意义和价值”。

　　据悉，由中科院国家纳米科学中心研究员裘晓辉等组成的研究团队，通过近5年来对现有仪器设备的不断优化，自制原子力显微镜的核心部件，极大地提高了现有设备的稳定性和信噪比，使团队改进的非接触原子力显微镜的关键技术指标达到国际上该领域的顶尖水平。据此精确解析了分子间氢键的构型，实现了对氢键键角和键长的直接测量。

　　国家纳米科学中心的裘晓辉团队与中国人民大学季威副教授的团队合作，在超高真空和低温条件下观察到了吸附在铜晶体表面的8-羟基喹啉分子间氢键的高分辨率图像，直接对该氢键的键长及键角进行了测量。此外，研究者还观察到了去氢8-羟基喹啉分子与铜原子的配位键作用。这些成果对氢键理论的研究提供了极具价值的参考。

　　“利用改造之后的显微镜，我们可以看到头发丝百万分之一那么微小的结构。”裘晓辉说，“我们团队的研究人员手工制作了显微镜的探针、自制了核心部件‘高性能qPlus型力传感器’等，这就像给汽车换上了我们自己制造的发动机，让这台仪器的关键技术指标达到国际上该领域的最高水平。”

　　‘看到’只是第一步，关于氢键的研究还有很长的路要走，比如氢键的‘测量’、不同分子间氢键的‘比较’等等。”副研究员程志海说，科研团队的研究还会拓展至其他关键化学键的研究，比如共价键、离子键、金属键等，以及进一步在原子、分子尺度上实现不同化学键的比较和强度测量等。

　　程志海表示：“我们非常希望，这项成果能够帮助学界在氢键的本质问题上能够更深一步！事实上，2011年IUPAC的氢键定义的推荐人之一，印度科学家E.Arunan已经与我们取得联系，希望能够在这方面作些工作。当然，作为一项新的研究手段，虽然我们实现了氢键的实空间成像，但氢键的确切成像机制，亦即我们为什么能看到氢键，我们看到了氢键的什么特性，并不是特别清楚。我个人觉得，理解氢键成像机制有助于认识氢键的本质。”

　　中国科学家能够在国际上率先实现这一“发现”的一个重要原因是，独立自主地自制原子力显微镜的核心部件——高性能qPlus型力传感器。裘晓辉说，中国科学家对现有仪器设备的不断优化，提高了现有设备的稳定性和信噪比，使得该仪器的关键技术指标达到国际上该领域的“最好水平”。此外，该中心还对外称：相对于氢键研究的常规谱学方法(红外、核磁共振、X射线晶体衍射等)，这项研究方法开辟了一条崭新的实验途径，预期在分子间相互作用的机理研究领域有广阔的应用前景。

　　程志海说，在此基础上，我们主要有几个方面的考虑，第一在氢键成像基础上，我们希望通过原子/分子操纵技术直接测量出单个氢键的强度，第二希望将这项技术拓展到其它体系，如DNA，水或冰以及其它新型材料体系，成为媲美高分辨球差透射电镜的结构分析与成像技术，第三我们希望能够将这项技术扩展到其它更加复杂的环境体系，例如固体/液体界面，液体/气体界面等，能够解决一些实际问题。当然，这仅仅是我们目前的一些想法，也会在接下来的工作中进行调整。