科学家首次直接探测到了氢键DeepTe

科学家首次成功使用原子力显微镜对单分子中氢键的强度进行研究。瑞士巴塞尔大学纳米科学所在《ScienceAdvances》上报道了他们的这一成果。

图丨螺桨烷（图片下部分子）和原子力显微镜的一氧化碳针尖。原子力显微镜针尖处的氧原子（红色）与螺桨烷的氢原子（白色）之间的作用力和距离的测量结果与计算精确吻合。

氢是宇宙中最为常见的元素，同样也是几乎所有的有机化合物的组成部分。分子之间或高分子的各部分之间，就是通过氢原子进行连接的，这种相互作用被称之为氢键。

蛋白质和核酸的很多特定的性质就是由氢键决定的，另外，氢键还保证了水具有较高的沸点。因此氢键在自然界中占有非常重要的地位。

但是，一直到最近，人们还不能对氢原子或单分子中的氢键进行谱分析或电子显微分析，而且采用原子力显微镜也并没有获得明确的结果。

近日，瑞士纳米科学研究所传来喜讯。来自巴塞尔大学物理系的ErnstMeyer教授课题组的ShigekiKawai博士，成功的使用高分辨率原子力显微镜对单个环形碳氢化合物中的氢原子进行了研究。

选用正确的分子是他和团队成功的关键。在与日本同事们的紧密合作之下，他们选择了一种结构类似螺旋桨的化合物－螺桨烷。这些螺桨烷处于一个平面上，它们的两个氢原子的的指向都是一直是朝上的。

由于原子力的显微镜的针尖是由一氧化碳组成的，所以当针尖与这些氢原子离得最够近的时候，氢键就会形成，其性质同时也可以被测量，如文章一开始的图所示。

相比于化学键来说，氢键的作用要弱的多；但相比于分子间的范德瓦尔斯力，氢键的作用力又要强一些。

正是基于此特性，研究者对原子力显微镜针尖的氧原子与螺桨烷的氢原子之间的作用力和距离进行了测量，其结果与芬兰阿尔托大学AdamS.Foster教授的模型符合的非常好，测量结果清楚的显示两者间的相互作用就是氢键的作用，排除了范德瓦尔斯力和离子键的可能。

基于此研究成果，来自巴塞尔大学纳米科学研究中心的研究者开创了采用观测氢原子来识别三维分子的新方法，可用于诸如核酸或聚合物的研究。