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科学家首次“看见”氢键

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:13

    科学家首次“看见”氢键

    人类肉眼无法看见分子和原子的微观世界,但这个微小世界里,却无时无刻不在发生着奇妙的变化。千百年来,科学家只能通过抽象的思维想象,或间接的实验现象,来证明分子、原子的存在。直到1982年,世界上第一台扫描隧道显微镜(STM)诞生,人类才第一次真正“看见”了原子。2009年,人类通过原子力显微镜(AFM),又进一步“看见”了分子和分子内化学键的形貌。

    而今天,中国科学家又向前迈出了重要的一步——利用非接触原子力显微镜(NC—AFM),在世界上首次得到了8-羟基喹啉分子间氢键的实空间图像。这项研究由国家纳米科学中心裘晓辉研究员、程志海副研究员领导的纳米表征与测量研究团队,以及中国人民大学物理系季威副教授领导的理论计算小组合作完成,相关论文《原子力显微镜实空间观测分子间相互作用》(Real-Space Identification of Intermolecular Bonding with Atomic Force Microscopy)发表在2013年11月1日的《科学》(Science)杂志上。

    分子间的氢键通常可用X-H…Y来表示,是一种分子间作用力。在自然界,这种作用力普遍存在,比如DNA的双螺旋结构需要靠氢键固定;氨基酸形成完整的蛋白质结构,也需要氢键的参与;冰之所以能浮于水面,保护海水不冻结,也是因为氢键的存在——可以说,氢键是地球上生命得以延续的关键。

    与“看见”分子内化学键相比,“看见”更加微弱的氢键,是一项极具挑战性的工作。在接受本刊记者采访时,程志海表示,“与共价健相比,氢键强度很弱,虽然我们希望,也认为应该能看见,但没有想到的是,在扫描出的图像中,氢键的清晰度和共价键几乎相当。我们下一步的目标,是借助原子/分子操纵技术,直接测量出单个氢键的强度,然后再对DNA、蛋白质以及水和冰,这些更为复杂的体系中氢键的形貌进行相关的研究”。

    作为扫描探针系列显微镜的一种,原子力显微镜测量的是探针顶端原子和样品原子间的相互作用力——即当两个原子离得很近,电子云发生重叠时,产生的泡利(Pauli)排斥力。非接触原子力显微镜,顾名思义,就是探针不直接与样品接触:研究人员使振动的探针靠近样品,当靠近到一定距离时,针尖原子与样品原子的泡利排斥力,将使探针的振动频率发生偏移,通过检测探针的振动频率,就可以反映出针尖原子与样品原子的相互作用力。样品中电子云密度越大的地方,相互作用力就越大,在扫描得到的图像中信号就越强,也就更清晰。

    虽然原子力显微镜的原理并不难懂,但其精度的提高却让科学家绞尽脑汁,因为这种测量不仅需要原子力传感器自身极为精密,还要尽可能地减小来自实验室或周边环境的震动,稍有不慎,图像就会模糊或者扭曲。

    此次成像用到的非接触原子力显微镜,是研究团队花了2年多时间,将一台原有扫描探针显微镜进行升级、改造后得到的。研究团队不仅将机械噪音降低了3~5倍,进一步降低了电子学噪音,还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,使探针的振动幅度降低到一个埃(10-10米,小于化学键键长)的程度,极大地提高了现有设备的稳定性和信噪比。

    “一张图片胜过千言万语”。氢键的实空间成像,为科学家打开了各种可能——搞清楚氢键的成像机制,可以帮助我们理解氢键的本质,进而为控制氢键,改变化学反应和分子聚集体的结构奠定基础。

    在此基础上,如果我们可以影响或控制水、DNA和蛋白质的结构,就有可能改变整个生命体和我们生存的环境。

    非接触原子力显微镜这项技术,目前只能应用在超低温和高真空环境下,国家纳米科学中心的研究人员希望,用几年甚至10多年的时间,将这项技术推广到在自然环境下应用,成为各行业科学家日常研究的手段。

    也许有一天,流体动力学家可以通过非接触原子力显微镜,直接观察气泡表面的微观活动,化学家合成新分子时,可以不必再费力地分离、提纯、检测,只须将样品放在探针“镜头”下,就能直接看到分子的结构。

    (本刊记者 廖红艳)

    本文来自“科学美国人”中文版《环球科学》2013年第12期(微信ID:huanqiukexue)。

    电子版详见:https://www.huanqiukexue.com/html/danye/dianzizazhi.html

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