【論文故事】作用力也看得到,來給氫鍵拍張照!

2020-11-26 果殼網

利用原子力顯微鏡，中國科學家成功對分子間氫鍵和配位鍵進行了實空間觀測，這是國際上第一次實現對分子間局域作用的直接成像。這些成果已發表在《科學》雜誌上。

8-羥基喹啉分子間氫鍵示意圖。圖片來源：paper.sciencenet.cn

為什麼冰能浮水上？這其中便是氫鍵（Hydrogen bond）在起作用。在自然界，氫鍵這種分子間的相互作用是隨處可見的，連DNA雙鏈中的鹼基配對，也是在氫鍵作用下實現的。然而，氫鍵本質一直備受爭論：這種作用力長期以來都被認為是靜電相互作用，但近年來的研究結果又提示，氫鍵可能具有與共價鍵類似特性。要了解氫鍵的真實面目，對氫鍵相關指標的精確測量成為關鍵。

此前，對氫鍵特性的研究主要藉助於X射線衍射、拉曼光譜、中子衍射等技術進行間接分析。而這一次，中國科學家們利用非接觸式原子力顯微鏡（NC-AFM），實現了對氫鍵的直接觀察。

國家納米科學中心的裘曉輝團隊與中國人民大學季威副教授的團隊合作，在超高真空和低溫條件下觀察到了吸附在銅晶體表面的8-羥基喹啉分子間氫鍵的高解析度圖像，直接對該氫鍵的鍵長及鍵角進行了測量。此外，研究者還觀察到了去氫8-羥基喹啉分子與銅原子的配位鍵作用。這些成果對氫鍵理論的研究提供了極具價值的參考。

圖A：8-羥基喹啉的化學結構。圖B：8-羥基喹啉分子在原子力顯微鏡下得顯微圖片。圖C：聚集的8-羥基喹啉圖像。圖D：與圖C相對應的分子結構模型。虛線代表氫鍵。 圖片來源：整理自Zhang et al. Science. 2013

研究者的氫鍵成像結果與我們高中時學到的化學知識相一致：氫原子一方面以共價鍵與電負性較強的X原子相連，另一方面又受到另一電負性較強的原子Y的吸引。現在，除了X射線晶體衍射等方法，我們又有了直接給氫鍵「拍照」的手段。

然而，這項研究只證明了原子力顯微鏡具有用於幫助探索氫鍵本質的能力。為什麼在氫鍵存在的位置能夠形成足以被觀測到的反差、氫鍵最本質的面目又是什麼？要闡明這些問題，還得依賴實驗技術的革新和科研人員的不懈努力。

 

文章的三位通訊作者裘曉輝（左）、程志海（中）、季威（右）。

就此成果，果殼網對國家納米科學中心的副研究員程志海進行了採訪：

果殼網：單分子尺度的研究結果對一般人而言略顯遙不可及，是什麼推動你和同事進行表面物理化學領域的研究？這次直接觀測分子間氫鍵的成果，又具有哪些影響深遠的意義？

程志海：我們的研究工作一直集中在納米表徵與測量方面，而單分子尺度的表面物理化學是我們研究工作的重要組成部分。我們也注意到了，國內國外的相關科學媒體、論壇等，都對我們的結果進行了報導和討論。從我們自己的角度來看，主要是將分子內的研究拓展到了更加複雜的分子間相互作用，另一方面，不同於人們認識清楚的共價鍵，氫鍵的本質還是一個亟待研究的問題。對氫鍵本質的理解，將有助於人們實現分子間相互作用的人為控制，在此基礎上能夠設計開發出特殊的分子氫鍵聚體，如人為設計的冰結構，DNA，蛋白質等等。

果殼網：果殼網的許多讀者都學習過氫鍵的概念與作用。既然已經「看到」氫鍵，網友們非常關心，學界是否能利用這項成果闡明備受爭議的氫鍵本質？

程志海：我們非常希望，這項成果能夠幫助學界在氫鍵的本質問題上能夠更深一步！事實上，2011年IUPAC的氫鍵定義的推薦人之一，印度科學家E. Arunan已經與我們取得聯繫，希望能夠在這方面作些工作。當然，作為一項新的研究手段，雖然我們實現了氫鍵的實空間成像，但氫鍵的確切成像機制，亦即我們為什麼能看到氫鍵，我們看到了氫鍵的什麼特性，並不是特別清楚。我個人覺得，理解氫鍵成像機制有助於認識氫鍵的本質。

果殼網：這次研究團隊之所以成功觀察到氫鍵圖像，主要依賴於哪些技術突破？鑑於AFM的發展現狀，這項技術是否還有繼續改良的空間？

程志海：回顧我們兩年多來的工作，我們成功實現氫鍵的觀察主要依賴於兩個方面的工作，第一，我們提高了現有儀器的性能，包括將機械噪音降低了三到五倍，進一步降低了電子學噪音等。第二，我們利用自己的一項專利技術製作了性能優良的原子力傳感器，其穩定振動振幅達到一個埃，小於了一個普通化學鍵的鍵長。

至於我們工作中所採用的qPlus-AFM技術，還有非常大的發展空間, 其能力和功能都遠遠沒有得到開發和應用。目前，國內大部分的AFM，特別是普通大氣環境下的AFM都只是用來表徵一下樣品的形貌等。而據我們了解，在國際上已經有很多研究組在大力發展AFM技術，擴展其能力，功能和應用範圍等。儘管這項技術還很難作為日常研究手段，限制是多方面的，人員，儀器等都是限制。但隨著研究和技術的發展，我想也許幾年或十幾年後就可能成為日常研究手段。

果殼網：在獲此突破之後，納米表徵實驗室接下來將專注於哪些方面進行進一步研究？

程志海：在此基礎上， 我們主要有幾個方面的考慮，第一在氫鍵成像基礎上，我們希望通過原子/分子操縱技術直接測量出單個氫鍵的強度，第二希望將這項技術拓展到其它體系，如DNA，水或冰以及其它新型材料體系， 成為媲美高分辨球差透射電鏡的結構分析與成像技術，第三我們希望能夠將這項技術擴展到其它更加複雜的環境體系，例如固體/液體界面，液體/氣體界面等，能夠解決一些實際問題。當然，這僅僅是我們目前的一些想法，也會在接下來的工作中進行調整。

信息來源：Science

文章題圖：paper.sciencenet.cn

 

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