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氫是地球上最常見的元素之一，幾乎是所有有機(jī)物不可缺少的元素。小分子以及大分子之間都可以通過氫原子之間相互作用，這種相互作用包括眾所周知的氫鍵?？梢哉f，氫鍵的存在是生命存在的基礎(chǔ)，有了氫鍵，地球上才會(huì)有大量液態(tài)水的存在，有了氫鍵，蛋白質(zhì)和核酸才會(huì)精確地發(fā)揮作用。但是，即便大量的研究表明氫鍵確實(shí)存在，研究者們也建立了氫鍵理論的模型，但是目前還無法實(shí)現(xiàn)以光譜或者成像的方式在單個(gè)分子中觀察到氫鍵的存在。最近，來自日本國(guó)立材料研究所的科學(xué)家Shigeki Kawai則使用AFM觀察到了單個(gè)分子中的氫鍵存在，并定量測(cè)定了氫鍵相互作用的大小，堪稱氫鍵基礎(chǔ)科研領(lǐng)域的重大突破，該項(xiàng)研究成果發(fā)表在Science子刊《Science Advances》。

研究者使用氫鍵研究對(duì)象是一種特殊的分子——螺槳烷衍生物，這類分子形狀類似于飛機(jī)的螺旋槳。他們使用了兩種螺槳烷衍生物：trinaphtho[3.3.3]propellane（TNP）與trifluorantheno[3.3.3]propellane（TFAP），特殊的分子結(jié)構(gòu)保證它們?cè)谖皆诨灼秸砻婵梢砸源怪被蛘摺皞?cè)躺”的方式，這兩種構(gòu)象都可以保證最外側(cè)的C-H鍵垂直于基底平面。

（TNP與TFAP分子的頂視圖與側(cè)視圖）

隨后，通過特殊的方式，研究者在AFM的針尖修飾上一個(gè)CO分子，使該針尖不斷地接近上述的C-H鍵，在距離達(dá)到合適的范圍內(nèi)時(shí)形成氫鍵，并可以被AFM檢測(cè)到信號(hào)并成像。

（氫鍵測(cè)試示意圖以及定量測(cè)試結(jié)果）

（對(duì)TFAP分子的模擬測(cè)試結(jié)果）

在氫鍵的經(jīng)典理論中，氫鍵的鍵能強(qiáng)度要比分子間的范德華力大，但比化學(xué)鍵的小，他們得到的定量檢測(cè)結(jié)果完美契合了上述經(jīng)典理論。

可以想象，這項(xiàng)研究無疑為氫鍵研究打開了一個(gè)新的大門，從這項(xiàng)技術(shù)出發(fā)，我們可以想象到更復(fù)雜的DNA分子或其他大分子的單分子氫鍵研究，使得研究者可以從單分子層面揭開分子相互作用的神秘面紗！

參考文獻(xiàn)：

Direct quantitative measurement of the C＝O???H–C bond by atomic force microscopy" Science Advances (2017). DOI: 10.1126/sciadv.1603258