Published Online September 26 2013
Science 1 November 2013:
Vol. 342 no. 6158 pp. 611-614
DOI: 10.1126/science.1242603

    为什么冰能浮水上？这其中便是氢键（Hydrogen bond）在起作用。在自然界，氢键这种分子间的相互作用是随处可见的，连DNA双链中的碱基配对，也是在氢键作用下实现的。然而，氢键本质一直备受争论：这种作用力长期以来都被认为是静电相互作用，但近年来的研究结果又提示，氢键可能具有与共价键类似特性。要了解氢键的真实面目，对氢键相关指标的精确测量成为关键。

    此前，对氢键特性的研究主要借助于X射线衍射、拉曼光谱、中子衍射等技术进行间接分析。而这一次，中国科学家们利用非接触式原子力显微镜（NC-AFM），实现了对氢键的直接观察。

    国家纳米科学中心的裘晓辉团队与中国人民大学季威副教授的团队合作，在超高真空和低温条件下观察到了吸附在铜晶体表面的8-羟基喹啉分子间氢键的高分辨率图像，直接对该氢键的键长及键角进行了测量。此外，研究者还观察到了去氢8-羟基喹啉分子与铜原子的配位键作用。这些成果对氢键理论的研究提供了极具价值的参考。研究者的氢键成像结果与我们高中时学到的化学知识相一致：氢原子一方面以共价键与电负性较强的X原子相连，另一方面又受到另一电负性较强的原子Y的吸引。现在，除了X射线晶体衍射等方法，我们又有了直接给氢键“拍照”的手段。

    然而，这项研究只证明了原子力显微镜具有用于帮助探索氢键本质的能力。为什么在氢键存在的位置能够形成足以被观测到的反差、氢键最本质的面目又是什么？要阐明这些问题，还得依赖实验技术的革新和科研人员的不懈努力。

    文章的三位通讯作者裘晓辉（左）、程志海（中）、季威（右）。

    就此成果，果壳网对国家纳米科学中心的副研究员程志海进行了采访：

    果壳网：单分子尺度的研究结果对一般人而言略显遥不可及，是什么推动你和同事进行表面物理化学领域的研究？这次直接观测分子间氢键的成果，又具有哪些影响深远的意义？

    程志海：我们的研究工作一直集中在纳米表征与测量方面，而单分子尺度的表面物理化学是我们研究工作的重要组成部分。我们也注意到了，国内国外的相关科学媒体、论坛等，都对我们的结果进行了报道和讨论。从我们自己的角度来看，主要是将分子内的研究拓展到了更加复杂的分子间相互作用，另一方面，不同于人们认识清楚的共价键，氢键的本质还是一个亟待研究的问题。对氢键本质的理解，将有助于人们实现分子间相互作用的人为控制，在此基础上能够设计开发出特殊的分子氢键聚体，如人为设计的冰结构，DNA，蛋白质等等。

    果壳网：果壳网的许多读者都学习过氢键的概念与作用。既然已经“看到”氢键，网友们非常关心，学界是否能利用这项成果阐明备受争议的氢键本质？

    程志海：我们非常希望，这项成果能够帮助学界在氢键的本质问题上能够更深一步！事实上，2011年IUPAC的氢键定义的推荐人之一，印度科学家E. Arunan已经与我们取得联系，希望能够在这方面作些工作。当然，作为一项新的研究手段，虽然我们实现了氢键的实空间成像，但氢键的确切成像机制，亦即我们为什么能看到氢键，我们看到了氢键的什么特性，并不是特别清楚。我个人觉得，理解氢键成像机制有助于认识氢键的本质。

    果壳网：这次研究团队之所以成功观察到氢键图像，主要依赖于哪些技术突破？鉴于AFM的发展现状，这项技术是否还有继续改良的空间？

    程志海：回顾我们两年多来的工作，我们成功实现氢键的观察主要依赖于两个方面的工作，第一，我们提高了现有仪器的性能，包括将机械噪音降低了三到五倍，进一步降低了电子学噪音等。第二，我们利用自己的一项专利技术制作了性能优良的原子力传感器，其稳定振动振幅达到一个埃，小于了一个普通化学键的键长。

    至于我们工作中所采用的qPlus-AFM技术，还有非常大的发展空间, 其能力和功能都远远没有得到开发和应用。目前，国内大部分的AFM，特别是普通大气环境下的AFM都只是用来表征一下样品的形貌等。而据我们了解，在国际上已经有很多研究组在大力发展AFM技术，扩展其能力，功能和应用范围等。尽管这项技术还很难作为日常研究手段，限制是多方面的，人员，仪器等都是限制。但随着研究和技术的发展，我想也许几年或十几年后就可能成为日常研究手段。

    果壳网：在获此突破之后，纳米表征实验室接下来将专注于哪些方面进行进一步研究？

    程志海：在此基础上，我们主要有几个方面的考虑，第一在氢键成像基础上，我们希望通过原子/分子操纵技术直接测量出单个氢键的强度，第二希望将这项技术拓展到其它体系，如DNA，水或冰以及其它新型材料体系，成为媲美高分辨球差透射电镜的结构分析与成像技术，第三我们希望能够将这项技术扩展到其它更加复杂的环境体系，例如固体/液体界面，液体/气体界面等，能够解决一些实际问题。当然，这仅仅是我们目前的一些想法，也会在接下来的工作中进行调整。

    图A：8-羟基喹啉的化学结构。图B：8-羟基喹啉分子在原子力显微镜下得显微图片。

    图C：聚集的8-羟基喹啉图像。图D：与图C相对应的分子结构模型。虚线代表氢键。

    国家纳米科学中心的研究团队长期坚持自主研制、升级和改造科研装备，通过数年来对商品仪器部件的不断优化，以及自制原子力显微镜的核心部件-高性能qPlus型力传感器，极大地提高了现有设备的稳定性和信噪比，使得该仪器的关键技术指标达到国际上该领域的最好水平。在超高真空和低温条件下，该研究团队通过精确探测原子力探针与分子化学键的电子云之间的Pauli排斥力作用，获得了吸附在铜晶体表面的8-羟基喹啉分子的共价键化学骨架、分子间氢键、以及分子与金属原子配位键的高分辨空间图像，据此精确解析了分子间氢键的构型，实现了对氢键键角和键长的直接测量。 

　　这是科学家第一次获得氢键在实空间的图像，该实验结果对于氢键理论有着非常有意的启示。相对于现有的谱学方法（红外、核磁共振、X射线晶体衍射等），该项研究开辟了一条对氢键研究的崭新实验途径，将对分子间相互作用研究起到巨大的推动作用。 

　　国家纳米科学中心研究生仉君、陈鹏程、袁秉凯参与了本项研究工作。该研究工作得到中国科学院、国家科技部重大研究计划、国家自然科学基金的资助。

   9月26日，中国人民大学物理学系季威副教授与国家纳米科学中心裘晓辉研究员和程志海副研究员等在《科学》杂志以“Science Express”的形式在线发表论文“原子力显微镜实空间观测分子间相互作用”，该文将在几周后的正刊上正式发表。该研究采用非接触原子力显微镜技术和第一性原理密度泛函理论计算在国际上首次实现了分子间局域相互作用的直接成像。研究成果为研究分子间相互作用开创了新思路，并为理解“氢键的本质”这一悬而未决的重大问题提供了重要证据。该成果的实验工作在国家纳米科学中心完成，理论计算工作在中国人民大学完成。季威副教授（理论）与裘晓辉研究员（实验）、程志海副研究员（实验）为该论文的共同通讯作者。这是中国人民大学教师首次在《科学》杂志的“原创研究成果”栏目发表论文，也是中国人民大学教师作为通讯作者首次在《科学》杂志上发文。

    分子间三聚体的原子力显微镜像和理论计算结果
   A为恒高模式的原子力显微镜探针频率偏移结果，B是理论计算预测的分子三聚体结构模型，C是该具体的电子局域函数分布结果。从图中可以明确观察到三聚体内的三个N-Cu配位键和三个C-H…O氢键。 
    非接触原子力显微镜是最先进的原子力显微镜表征技术。该技术可以通过显微镜探针顶部原子电子波函数与样品电子波函数之间的Pauli排斥相互作用，得到高分辨的分子内部结构信息。例如，2009年IBM Zurich研究中心的科学家采用该技术首次观察到了分子内部的共价键。

    共价键波函数与探针顶端原子波函数有较为显著的Pauli排斥相互作用，因此之前的结果从原理上是相对容易理解的。然而，在季威副教授及合作者等的最新研究成果中，氢键、配位键、共价键在同一个分子聚集体中均被观察到。基于氢键的传统定义，在它附近不应存在电子波函数，因此，实验中直接对氢键成像似乎显得有些“不可思议”，这有悖于此前人们对原子力显微镜成像原理和氢键本质的认识。

   在经过大量的理论模拟后，最终确定了实验中分子（聚集体）的原子结构模型，确认了实验成像源于氢键和配位键的结论，并提出了实验观察到氢键和配位键的成像机制。
 

    刚才在CEN网站看到老同学裘晓辉的新闻，说的是他们应用高分辨AFM技术观测到了分子间的氢键。【1-2】

    这么好的事情，非常值得庆祝。

    不过，那篇新闻报道的作者大概是缺乏相关的知识，竟然认为以前人们没有“看”到过氢键:“Hydrogen bonds are ubiquitous—and universally important—in chemistry. They give water its unique properties, speed or slow reactions, and hold together the three-dimensional shapes of DNA, proteins, and other supramolecular structures. But chemists have never actually seen them.”

其实，在高分辨的 X-ray 衍射密度图里面，氢键就可能很容易被观察到。

    氢键是普遍存在于分子体系一种的相互作用力。可以简写为X-H...Y, X为电负性高的原子（如O/F/N），Y为电子密度高的原子（O/F/N）或者原子团（如苯环上的PI的离域电子）

    当然，不同的实验方法，都是直接或者间接检测形成氢键原子（H&Y）之间的的电子密度。

    除去X-ray,今年7月还有人结合X-ray和中子衍射办法对氢原子的1位置实现了精确定位。【3-4】

    下面图中的紫色部分来自中子衍射实验，其它的网格部分是来自 X-ray电子密度图。

    蛋白酶抑制剂Amprenavir（安普那韦）

参考

【1】http://cen.acs.org/articles/91/i39/Hydrogen-Bonds-Visualized.html

【2】 http://www.sciencemag.org/content/early/2013/09/25/science.1242603

【3】http://www.ill.eu/?id=14844

【4】http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jm400684f