近日，我國國家納米科學中心研究員裘曉輝團隊，利用原子力顯微鏡技術實現(xiàn)了對分子間局域作用的直接成像，在國際上首次直接觀察到了分子間的氫鍵。這為科學家理解氫鍵的本質(zhì)，進而改變化學反應和分子聚集體的結(jié)構奠定了基礎。

　　氫鍵是自然界中最重要的分子間相互作用形式之一。雖然氫鍵的強度相對于共價鍵非常弱，但是對物質(zhì)的性質(zhì)有至關重要的影響，例如:氫鍵作用使得水能夠在常溫下以液態(tài)存在、DNA形成雙螺旋結(jié)構、蛋白質(zhì)形成二級結(jié)構等。

　　長久以來，科學界普遍認為氫鍵是一種弱的靜電相互作用，然而近年來有實驗證據(jù)顯示氫鍵似乎有類似共價鍵的特性，即形成氫鍵的原子間也存在微弱的電子云共享。2011年，國際純粹與應用化學聯(lián)合會(IUPAC)推薦了氫鍵的新定義，但是有關氫鍵作用的本質(zhì)這一問題的研究遠沒有結(jié)束。對氫鍵特性的精確實驗測量，如作用位點、鍵角、鍵長、以及單個氫鍵強度，不僅有助于闡明氫鍵的本質(zhì)，在原子/分子尺度上關于物質(zhì)結(jié)構和性質(zhì)的信息對于功能材料及藥物分子的設計更有著重要意義。

　　國家納米科學中心主任劉鳴華介紹，1936年，諾貝爾化學獎獲得者Pauling在其出版的《化學鍵的本質(zhì)》一書中，首次正式提出了氫鍵概念。但到目前，關于氫鍵的本質(zhì)還無定論。此前，對氫鍵特性的研究主要借助于X射線衍射、紅外和拉曼光譜、中子衍射等技術進行間接分析，但是從來沒有真正地看到過氫鍵。如今，裘曉輝團隊利用高分辨的原子力顯微鏡，第一次真實地看到了氫鍵。《科學》雜志的兩位審稿人盛贊這項工作“是一項開拓性的發(fā)現(xiàn)”，“具有深遠的意義和價值”。

　　據(jù)悉，由中科院國家納米科學中心研究員裘曉輝等組成的研究團隊，通過近5年來對現(xiàn)有儀器設備的不斷優(yōu)化，自制原子力顯微鏡的核心部件，極大地提高了現(xiàn)有設備的穩(wěn)定性和信噪比，使團隊改進的非接觸原子力顯微鏡的關鍵技術指標達到國際上該領域的頂尖水平。據(jù)此精確解析了分子間氫鍵的構型，實現(xiàn)了對氫鍵鍵角和鍵長的直接測量。

　　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分辨率圖像，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。

　　“利用改造之后的顯微鏡，我們可以看到頭發(fā)絲百萬分之一那么微小的結(jié)構。”裘曉輝說，“我們團隊的研究人員手工制作了顯微鏡的探針、自制了核心部件‘高性能qPlus型力傳感器’等，這就像給汽車換上了我們自己制造的發(fā)動機，讓這臺儀器的關鍵技術指標達到國際上該領域的最高水平。”

　　‘看到’只是第一步，關于氫鍵的研究還有很長的路要走，比如氫鍵的‘測量’、不同分子間氫鍵的‘比較’等等。”副研究員程志海說，科研團隊的研究還會拓展至其他關鍵化學鍵的研究，比如共價鍵、離子鍵、金屬鍵等，以及進一步在原子、分子尺度上實現(xiàn)不同化學鍵的比較和強度測量等。

　　程志海表示：“我們非常希望，這項成果能夠幫助學界在氫鍵的本質(zhì)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(jīng)與我們?nèi)〉寐?lián)系，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(xiàn)了氫鍵的實空間成像，但氫鍵的確切成像機制，亦即我們?yōu)槭裁茨芸吹綒滏I，我們看到了氫鍵的什么特性，并不是特別清楚。我個人覺得，理解氫鍵成像機制有助于認識氫鍵的本質(zhì)。”

　　中國科學家能夠在國際上率先實現(xiàn)這一“發(fā)現(xiàn)”的一個重要原因是，獨立自主地自制原子力顯微鏡的核心部件——高性能qPlus型力傳感器。裘曉輝說，中國科學家對現(xiàn)有儀器設備的不斷優(yōu)化，提高了現(xiàn)有設備的穩(wěn)定性和信噪比，使得該儀器的關鍵技術指標達到國際上該領域的“最好水平”。此外，該中心還對外稱：相對于氫鍵研究的常規(guī)譜學方法(紅外、核磁共振、X射線晶體衍射等)，這項研究方法開辟了一條嶄新的實驗途徑，預期在分子間相互作用的機理研究領域有廣闊的應用前景。

　　程志海說，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(jié)構分析與成像技術，第三我們希望能夠?qū)⑦@項技術擴展到其它更加復雜的環(huán)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(diào)整。