我國科學(xué)家首次直接“看到”氫鍵

透過實(shí)驗(yàn)室的玻璃窗，可以看見三個穿藍(lán)色實(shí)驗(yàn)服的年輕人正聚精會神地在顯微鏡下操作著一組微型工具。“這位老師是我們中心的助理研究員，他是做電子器件的高手，正帶領(lǐng)兩位博士生在研究一個可以進(jìn)行精密測量的微機(jī)械裝置。”國家納米科學(xué)中心研究員裘曉輝向科技日報記者介紹。

工欲善其事，必先利其器。裘曉輝認(rèn)為，“要在基礎(chǔ)研究中不斷有原始創(chuàng)新，我們不能僅停留在發(fā)表論文的狀態(tài)，而要不斷攻克核心技術(shù)，研發(fā)先進(jìn)的儀器裝置，才能去探索別人做不了的前沿問題。”

轟動科學(xué)界，首次直接“看到”氫鍵

為何水在常溫下是液態(tài);為何冰能浮在水上?“這都是氫鍵的神奇魔力。水分子中的兩個氫原子和一個氧原子由共價鍵連接，而水分子之間則是由一種極微弱的作用聯(lián)系在一起，這就是氫鍵。”裘曉輝介紹說。

氫鍵是自然界中最重要、存在最廣泛的分子鍵相互作用的形式之一，對物質(zhì)和生命有至關(guān)重要的影響，很多藥物也是通過和生命體內(nèi)的生物大分子發(fā)生氫鍵相互作用而發(fā)揮效力。

自1936年諾貝爾化學(xué)獎得主鮑林在其著作《化學(xué)鍵的本質(zhì)》中首次提出“氫鍵”這一概念后，科學(xué)界就存在爭論：氫鍵僅僅是一種分子間弱的靜電相互作用，還是存在有部分的電子云共享?科學(xué)家一直在試圖回答氫鍵是什么的問題，主要借助于X射線衍射、拉曼光譜、中子衍射等技術(shù)，這些研究方法獲得的數(shù)據(jù)可以從不同的方面反映氫鍵的性質(zhì)，然而氫鍵的廬山真面目仍是一個未解之謎，因此有人甚至懷疑它到底存不存在。

裘曉輝帶領(lǐng)研究團(tuán)隊研制出“利器”——極靈敏的原子力傳感器，使得這一問題的研究有了突破性進(jìn)展，猶如天文望遠(yuǎn)鏡能夠拍攝到宇宙深處星際的影像、星際之間的引力一樣，使得原子力顯微鏡成為探明微觀世界的照相機(jī)，能夠?yàn)樵?、分子、化學(xué)鍵“寫真”。

通俗地講，“這項研究成果相當(dāng)于以前可以從太空中看到地面的人排成一行，現(xiàn)在是第一次看到，原來這些人之間是手拉著手的。”裘曉輝引用國家納米科學(xué)中心前主任劉鳴華研究員的話說道。

2013年年底，《科學(xué)》雜志刊發(fā)了裘曉輝團(tuán)隊直接觀察到分子間氫鍵的成果;《自然》雜志還將分子間氫鍵的圖像評述為當(dāng)年年度三幅最震撼的圖片之一。

不斷創(chuàng)新，研制關(guān)鍵儀器核心部件

“我在白春禮院長指導(dǎo)下進(jìn)行博士生論文研究時，就知道分子能自發(fā)排列成規(guī)整結(jié)構(gòu)，但是對分子間存在的這種神奇作用一直看不到。”裘曉輝說。

而我國從德國花費(fèi)數(shù)百萬元購置的原子力顯微鏡是用于研究納米世界的高精密儀器，卻始終看不清氫鍵的模樣。

于是，裘曉輝帶領(lǐng)團(tuán)隊對進(jìn)口設(shè)備的微力傳感器加以技術(shù)改進(jìn)，從設(shè)計和技術(shù)方面優(yōu)化了核心部件——皮牛級力傳感器的性能，提高了測量儀器電子信號的信噪比，最終獲得遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)商品化儀器的測量精度。

高性能力傳感器就是整臺顯微鏡設(shè)備的“眼睛”。裘曉輝指導(dǎo)的研究生創(chuàng)造性改進(jìn)了制作工藝，可以將原子級尖銳的鎢探針粘接到諧振頻率穩(wěn)定的石英音叉上。

在不懈地努力下，裘曉輝與國家納米科學(xué)中心研究員程志海、中國人民大學(xué)教授季威的團(tuán)隊密切合作，在超高真空和低溫條件下，通過原子力顯微鏡觀測在銅單晶表面吸附組裝的8-羥基喹啉分子，獲得原子級分辨的分子化學(xué)骨架結(jié)構(gòu)圖像，并清晰觀察到分子間存在的氫鍵作用，精確解析分子間氫鍵的構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)對氫鍵鍵角和鍵長的直接測量。

任重道遠(yuǎn)，洞察納米世界新知

“當(dāng)首次‘看到’清晰的氫鍵圖像時，我們知道這是世界上第一張拍到的圖像，感覺非常充實(shí)和自豪，”裘曉輝描述道，“就像在天空中多個飄蕩的風(fēng)箏，如果能夠看見拉住風(fēng)箏的每根細(xì)線，就能知道是誰在控制風(fēng)箏，我們還能夠測量出這根線有多硬，力度多大。”

裘曉輝團(tuán)隊所獲得的氫鍵圖像，是世界上首次在實(shí)空間直接觀測到分子間的氫鍵作用，為化學(xué)界爭論近百年的“氫鍵的本質(zhì)”問題提供了新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)?？茖W(xué)界評價這是“一項開拓性的發(fā)現(xiàn)，真正令人驚嘆的實(shí)驗(yàn)測量”，“是一項杰出而令人激動震撼的工作”。

“實(shí)際上，分子個頭越大，它們之間的作用力也越大，正如星際間的作用力。想了解世界是怎么組成的就需要搞清這些微小粒子間作用力是什么有多大。現(xiàn)在我們能夠進(jìn)行納米尺度的測量，探測的最微弱的力相當(dāng)于太陽光照在手指甲蓋上力的十分之一。”裘曉輝說道。

“看到”只是第一步，關(guān)于氫鍵的研究尚有很長的路要走。

裘曉輝表示，不僅是氫鍵，未來的研究還會拓展至其他重要化學(xué)鍵的研究，比如共價鍵、離子鍵等，以及進(jìn)一步在原子、分子尺度上對不同化學(xué)鍵的強(qiáng)度進(jìn)行測量等。由此，我們將會了解材料構(gòu)成的原因，分子在化學(xué)反應(yīng)中怎樣變化，知道材料的特性，逐漸繪制出材料基因圖譜，指導(dǎo)新材料的設(shè)計，像搭積木一樣，根據(jù)需要制造出新的材料等。

科研工作任重道遠(yuǎn)，唯有信念堅定，方得始終。正如裘曉輝所言，“如果發(fā)現(xiàn)了一個有意義的科學(xué)問題，就應(yīng)該沉下心來認(rèn)認(rèn)真真地努力解決它。”(記者 華 凌)

關(guān)鍵詞： 氫鍵