【經濟日報】看,這就是氫鍵!

氫鍵。裘曉輝、程志海團隊拍到的世界上第一張氫鍵照片。他們拍到的是8-羥基喹啉分子之間的氫鍵。

裘曉輝（右）、程志海（左）在實驗室合影。佘惠敏攝

圖為由我國科學家改裝並拍到世界第一張氫鍵照片的非接觸式原子力顯微鏡。佘惠敏攝

博士生陳鵬程在顯微鏡下製作探針。本報記者佘惠敏攝

　　雪花為何總是六隻角？DNA為什麼能形成雙螺旋結構？蛋白質分子何以相互作用？這些有趣問題的答案，都離不開對氫鍵的認識。科學家們1936年就通過理論分析提出了「氫鍵」的概念，但一直不能眼見為實。

　　直到去年年底，神秘氫鍵的倩影終於被我國科學家用照片記錄下來。國家納米科學中心研究員裘曉輝、副研究員程志海領導的納米表徵與測量研究團隊，拍下了世界上第一張氫鍵照片。這一成果在今年11月初的《科學》雜誌上以論文形式發表後，引起科學界的轟動：《科學》審稿人盛讚此工作「是一項開拓性的發現，真正令人驚嘆的實驗測量」，大量國際著名學術期刊和科學媒體紛紛以「第一張氫鍵照片」，「首次看見氫鍵」，「首次揭示神秘氫鍵」等為題，迅速報導了這一革命性成果。

　　那麼，什麼是氫鍵？我們又是如何拍到它的照片？請看本報記者發回的報導。

　　什麼叫做氫鍵 

　　中國人喜歡十全十美，但原子和分子的世界中卻遵循「8個才完美」的規律。原子由原子核和電子云組成，當電子在原子核外排列時，會按能量高低分在不同軌道，最內圈軌道有2個電子，之後從第二圈起，每排滿8個電子就晉位下一圈軌道。

　　比如，我們廚房裡常用的食鹽是氯化鈉（NaCl），氯原子和鈉原子是如何結合成食鹽的呢？

　　元素周期表上排名11的鈉原子含有11個質子的原子核和含11個電子的電子云，電子按2、8、1的數目排列在三個軌道上，最外圈只有1個電子；而排名17的氯原子有17個質子、17個電子，電子按2、8、7排列，最外圈有7個電子。

　　以8為完美標準，鈉原子最外圈多1個電子，氯原子最外圈缺1個電子。所以，當鈉原子遇到氯原子，就有一個電子從鈉原子處「跳槽」到氯原子那裡，讓雙方都變得完美而穩定。

　　由於每個質子帶一個正電，每個電子帶一個負電，這種變化讓鈉原子變成了帶正電的鈉離子，氯原子變成了帶負電的氯離子，「異性相吸」的鈉離子和氯離子之間，就此形成了穩定的離子鍵。

　　促使分子形成的力量，除了離子鍵，還有共價鍵，二者都屬於化學鍵。

　　氧氣分子（O2）內部兩個氧原子間，就是共價鍵在起作用。一個氧原子有8個電子，按2、6的數目排列在兩個軌道上，當兩個氧原子相遇時，都缺2個電子才能達到「外8」的完美。這時候，它倆不能像氯化鈉那樣「損有餘以補不足」，就只好採取「共軌雙贏」的策略來求取平衡——每個氧原子各交出2個電子放到二者的軌道交集上，這樣就有4個電子是雙方共有，加上各自擁有的外圈剩下的4個電子，正好又達到了「8」。

　　原子就是這樣，通過離子鍵或者共價鍵這樣的化學鍵來組成分子。那麼，如果遇到極端情況呢？比如，只有一個電子的氫原子，當它與其他原子結合，不得不把「獨生」電子交出去時，它的原子核豈不是就要「裸奔」了麼？

　　我們日常生活中常見的水分子（H2O），就是由一個氧原子和兩個氫原子組成，連接它們的是共價鍵。當1個電子的氫原子，碰到8個電子的氧原子時，每個氫原子都出1個電子，與氧原子外層的1個電子「共軌」，這樣，只有最內層電子軌道的氫原子達到了內「2」的平衡，而最外層軌道有6個電子的氧原子，在跟兩個氫原子各共用兩個電子後，又達到了「外8」的平衡。

　　水分子是性質特殊的極性分子，這是因為在水分子中，「共軌」的電子只能在氧原子和氫原子之間結合的那一側存在，形成電子云，氫原子對外的那一側就因為沒有電子，而把帶正電的原子核裸露出來。如果把水分子看做一個大腦袋小人，這個小人的大腦袋氧原子就帶著負電，而兩隻腳丫氫原子帶著正電。這樣，當不同的水分子相遇時，因為正負電荷的相互作用，這個水分子的腦袋會傾向於和那個水分子的腳丫子「異性相吸」，最後形成一大團水的聚合體。這種水分子間的作用力就叫「氫鍵」，是氫原子對外裸露而產生的分子間的弱相互作用。

　　「氫鍵相當於兩個人手拉手，可以拉也可以分，它在本質上和化學鍵不同。化學鍵連接的是你自己的手和腳，不能分開。」裘曉輝這樣解釋二者之間的區別。「氫鍵就是半裸的氫原子核作為橋，把分子拉到一起。所以有氫鍵的，分子中必須有氫原子。」

　　怎麼看到氫鍵 

　　由於氫是自然界中普遍存在的元素，氫鍵就成了自然界中最重要，存在最廣泛的分子間相互作用形式之一。雖然氫鍵的強度相對於共價鍵非常弱，但對物質的性質有至關重要的影響——氫鍵作用使水在常溫下以液態存在，使冰能夠浮在水面上，使雪花成為六角形，使DNA形成雙螺旋結構、使胺基酸組成蛋白質大分子……

　　正因為氫鍵如此重要，「看到」氫鍵就成為化學、生命科學、醫藥學等多學科專家們的共同心願。

　　然而，看到氫鍵又是何等困難！早在1936年出版的《化學鍵的本質》一書中，諾貝爾化學獎獲得者鮑林就已正式提出氫鍵概念。一個多世紀過去了，人們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，從來沒有真正地看到過氫鍵。

　　要看到氫鍵，需要進入原子的世界，而原子非常小，一億個原子手拉手站成一排，才有人類手指頭那麼寬。我們要用什麼來觸摸原子世界？

　　用原子來探查原子。

　　1986年的諾貝爾物理學獎被授予電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡的設計者。人們藉助掃描隧道顯微成像，第一次看到了原子。掃描隧道電子顯微鏡已經成為許多實驗室的常規裝備，其原理，是將電荷放置在探針針尖上，針尖細到只有一個原子，當探針掃過被探測物的單個原子，流過探針的電流量便有所不同，通過電流的漲落，便描出原子的輪廓。

　　為了實現更高解析度，2007年國際上出現了原子力顯微鏡，針尖還是單個原子，但不再探測電流——研究人員用振動的探針靠近樣品，當針尖原子與樣品原子離得很近、電子云發生重疊時，就產生了原子間的泡利排斥力，使探針振動頻率發生偏移，再檢測探針頻率就能得到掃描圖像。由於共價鍵上有電子云分布，能產生泡利排斥力，人們就使用這種顯微鏡在2009年看見了原子間的共價鍵。

　　不過，比共價鍵弱很多的氫鍵，雖然也有電子云分布，卻還沒有被人們看到。

　　2007年，裘曉輝、程志海團隊從德國進口了一臺通用的商業化掃描探針顯微鏡，然後對其進行「改裝」。「我們把它改裝成了超高真空低溫掃描探針顯微鏡。真空是為了排除幹擾。低溫是為了把分子凍住，不讓它亂跑，這樣才能成像。」裘曉輝說，實驗組把顯微鏡改裝成非接觸原子力顯微鏡，國際上僅有三五個課題組能達到此種水準。

　　改裝後，機械噪音被降低了3-5倍，電子學噪音被進一步降低。最重要的是，他們用自有技術，自製了原子力顯微鏡的核心部件——高性能的原子力傳感器，也就是那個關鍵的探針，極大地提升了現有設備的穩定性和信噪比。「探針的振動幅度被降低到一個埃米，小於化學鍵鍵長。整臺機器的圖像解析度在改裝後提高了100倍。」

　　在實驗室，記者看到正在製作探針的博士生陳鵬程。他以6毫米長、2毫米寬的石英表音叉為原料，將鎢探針粘接到諧振頻率穩定的石英音叉上，先在普通顯微鏡下磨出幾個納米細的鎢針尖，再放到真空顯微鏡中拉出一個鎢原子的探針尖。

　　「探針的尖是一個原子，必須拉出一個原子來，才能清晰成像。如果針尖上有倆鎢原子，就會出現雙影。一個探針，熟手也要花4-5個小時製作，運氣好時能用三個月，運氣不好一天就壞了。」裘曉輝說，「我們經歷過無數次失敗，然後不斷改進。當第一次看到清晰的氫鍵圖像時，我們知道這是世界上第一張，感覺非常充實和自豪。」

　　看到氫鍵以後 

　　國家納米中心2003年成立，是中國科學院和北京大學、清華大學共建的科研機構。拍到第一張氫鍵照片，是納米中心成立10年來的幾個最重要發現之一。

　　「納米技術的發展日新月異，超越想像，使人類可以看到原子、分子、化學鍵，甚至現在看到氫鍵。」國家納米中心主任劉鳴華說，千言萬語不如一圖，氫鍵的高清晰度照片能幫助科學家們理解其本質，進而為控制氫鍵、利用氫鍵奠定基礎。在此基礎上，我們未來有可能人工影響或控制水、DNA和蛋白質的結構，生命體和我們生活的環境也可能因此而改變。「如支撐DNA雙螺旋結構的就是氫鍵，一個三重氫鍵，一個兩重氫鍵，氫鍵還能解開和複製，在生命遺傳中起到非常重要作用。」

　　通過用自主創新技術改裝成的非接觸原子力顯微鏡，我國科學家用納米技術實現了對分子的共價鍵化學骨架、分子間氫鍵以及分子-金屬原子間配位鍵的超高分辨空間成像。並據此精確解析了分子間氫鍵的構型，實現了對氫鍵鍵角和鍵長的直接測量。該項研究方法開闢了一條嶄新的實驗途徑，在分子間相互作用的機理研究領域有廣闊的應用前景。

　　「這套設備不止可以拿來看氫鍵。」裘曉輝表示，「比如說，下一步我們可能拿它來觀察滷素鍵，滷素是化學催化劑中常用的，與氫鍵相比，滷素鍵含量更低、信號更弱，活性更強、需要用更低溫來凍住，對它的觀察需要我們讓這套設備的各項性能進一步提高。」

　　非接觸原子力顯微鏡這項技術目前還只能在超低溫和高真空環境下使用，未來如果這項技術被推廣到自然環境下應用、成為各行業科技工作者的常用研究手段，人們又將對這個世界的本質有更深層的理解和利用。

　　（原載於《經濟日報》 2013-11-27 16版）