國(guó)家納米科學(xué)中心的研究人員利用原子力顯微鏡技術(shù)在實(shí)空間觀測(cè)到分子間氫鍵和配位鍵相互作用,，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)分子間局域作用的直接成像,。 9月26日,，《科學(xué)》雜志以“Science Express”在線發(fā)表了該項(xiàng)研究成果，并將在幾周后以“Report”形式正式發(fā)表,。這項(xiàng)研究工作由國(guó)家納米科學(xué)中心裘曉輝研究員,、程志海副研究員領(lǐng)導(dǎo)的納米表征與測(cè)量研究團(tuán)隊(duì)與中國(guó)人民大學(xué)物理系季威副教授領(lǐng)導(dǎo)的理論計(jì)算小組合作完成。
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(qiáng)度相對(duì)于共價(jià)鍵非常弱,，但是對(duì)物質(zhì)的性質(zhì)有至關(guān)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(gòu),、蛋白質(zhì)形成二級(jí)結(jié)構(gòu)等。長(zhǎng)久以來,，科學(xué)界普遍認(rèn)為氫鍵是一種弱的靜電相互作用,，然而近年來有實(shí)驗(yàn)證據(jù)顯示氫鍵似乎有類似共價(jià)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(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）推薦了氫鍵的新定義,，但是有關(guān)氫鍵作用的本質(zhì)這一問題的研究遠(yuǎn)沒有結(jié)束,。對(duì)氫鍵特性的精確實(shí)驗(yàn)測(cè)量,，如作用位點(diǎn)、鍵角,、鍵長(zhǎng),、以及單個(gè)氫鍵強(qiáng)度，不僅有助于闡明氫鍵的本質(zhì),，在原子/分子尺度上關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的信息對(duì)于功能材料及藥物分子的設(shè)計(jì)更有著重要意義,。
國(guó)家納米科學(xué)中心的研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期堅(jiān)持自主研制、升級(jí)和改造科研裝備,，通過數(shù)年來對(duì)商品儀器部件的不斷優(yōu)化,，以及自制原子力顯微鏡的核心部件-高性能qPlus型力傳感器，極大地提高了現(xiàn)有設(shè)備的穩(wěn)定性和信噪比,，使得該儀器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際上該領(lǐng)域的最好水平,。在超高真空和低溫條件下，該研究團(tuán)隊(duì)通過精確探測(cè)原子力探針與分子化學(xué)鍵的電子云之間的Pauli排斥力作用,，獲得了吸附在銅晶體表面的8-羥基喹啉分子的共價(jià)鍵化學(xué)骨架,、分子間氫鍵、以及分子與金屬原子配位鍵的高分辨空間圖像,，據(jù)此精確解析了分子間氫鍵的構(gòu)型,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氫鍵鍵角和鍵長(zhǎng)的直接測(cè)量。
這是科學(xué)家第一次獲得氫鍵在實(shí)空間的圖像,，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于氫鍵理論有著非常有意的啟示,。相對(duì)于現(xiàn)有的譜學(xué)方法（紅外、核磁共振,、X射線晶體衍射等）,，該項(xiàng)研究開辟了一條對(duì)氫鍵研究的嶄新實(shí)驗(yàn)途徑，將對(duì)分子間相互作用研究起到巨大的推動(dòng)作用,。
國(guó)家納米科學(xué)中心研究生仉君,、陳鵬程、袁秉凱參與了本項(xiàng)研究工作,。該研究工作得到中國(guó)科學(xué)院,、國(guó)家科技部重大研究計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金的資助,。
Science通過Science Express每周提供若干在兩周內(nèi)被Science錄用的最新研究報(bào)告,，這些文章在4至6周后以在線和印刷形式同時(shí)發(fā)表在《科學(xué)》周刊上。Science現(xiàn)有15%的內(nèi)容通過Science Express預(yù)出版,，這些論文通常是編輯推薦的最重要的文章,。(生物谷Bioon.com)
生物谷推薦的英文摘要
Science DOI: 10.1126/science.1242603
Real-Space Identification of Intermolecular Bonding with Atomic Force Microscopy
Jun Zhang, Pengcheng Chen, Bingkai Yuan, Wei Ji, Zhihai Cheng, Xiaohui Qiu
We report a real-space visualization of the formation of hydrogen bonding in 8-hydroxyquinoline (8-hq) molecular assemblies on a Cu(111) substrate, using noncontact atomic force microscopy (NC-AFM). The atomically resolved molecular structures enable a precise determination of the characteristics of hydrogen bonding networks, including the bonding sites, orientations, and lengths. The observation of bond contrast was interpreted by ab initio density functional calculations, which indicated the electron density contribution from the hybridized electronic state of the hydrogen bond. Intermolecular coordination between the dehydrogenated 8-hq and Cu adatoms was also revealed by the submolecular resolution AFM characterization. The direct identification of local bonding configurations by NC-AFM would facilitate detailed investigations of intermolecular interactions in complex molecules with multiple active sites.
