科學家首次成功使用原子力顯微鏡對單分子中氫鍵的強度進行研究。瑞士巴塞爾大學納米科學所在《ScienceAdvances》上報導了他們的這一成果。
圖丨螺槳烷（圖片下部分子）和原子力顯微鏡的一氧化碳針尖。原子力顯微鏡針尖處的氧原子（紅色）與螺槳烷的氫原子（白色）之間的作用力和距離的測量結果與計算精確吻合。
氫是宇宙中最為常見的元素，同樣也是幾乎所有的有機化合物的組成部分。分子之間或高分子的各部分之間，就是通過氫原子進行連接的，這種相互作用被稱之為氫鍵。
蛋白質和核酸的很多特定的性質就是由氫鍵決定的，另外，氫鍵還保證了水具有較高的沸點。因此氫鍵在自然界中佔有非常重要的地位。
但是，一直到最近，人們還不能對氫原子或單分子中的氫鍵進行譜分析或電子顯微分析，而且採用原子力顯微鏡也並沒有獲得明確的結果。
近日，瑞士納米科學研究所傳來喜訊。來自巴塞爾大學物理系的Ernst Meyer教授課題組的Shigeki Kawai博士，成功的使用高解析度原子力顯微鏡對單個環形碳氫化合物中的氫原子進行了研究。
選用正確的分子是他和團隊成功的關鍵。在與日本同事們的緊密合作之下，他們選擇了一種結構類似螺旋槳的化合物－螺槳烷。這些螺槳烷處於一個平面上，它們的兩個氫原子的的指向都是一直是朝上的。
由於原子力的顯微鏡的針尖是由一氧化碳組成的，所以當針尖與這些氫原子離得最夠近的時候，氫鍵就會形成，其性質同時也可以被測量，如文章一開始的圖所示。
相比於化學鍵來說，氫鍵的作用要弱的多；但相比於分子間的範德瓦爾斯力，氫鍵的作用力又要強一些。
正是基於此特性，研究者對原子力顯微鏡針尖的氧原子與螺槳烷的氫原子之間的作用力和距離進行了測量，其結果與芬蘭阿爾託大學Adam S. Foster教授的模型符合的非常好，測量結果清楚的顯示兩者間的相互作用就是氫鍵的作用，排除了範德瓦爾斯力和離子鍵的可能。
基於此研究成果，來自巴塞爾大學納米科學研究中心的研究者開創了採用觀測氫原子來識別三維分子的新方法，可用於諸如核酸或聚合物的研究。