中国科学家首次“看“到氢键震惊世界

      1936年，美国著名科学家、诺贝尔化学奖得主鲍林在其著作《化学键的本质》中首次提出“氢键”这一概念，至今已有80多年，但科学界关于氢键的本质还无定论，更没有人拍到过它的真面目，因此甚至有人怀疑氢键到底存不存在？

         

         

化学知识  什么是氢键？

当H原子与某一个电负性大、原子半径小的X原子以共价键结合时，该H原子与相邻的另一个电负性大、原子半径小的Y原子之间产生的静电作用力，叫做氢键。

氢键作为自然界中最重要的分子间相互作用形式之一，是一种典型的非共价键，虽然其强度相对于共价键要弱很多，但是对物质的性质有着至关重要的影响。比如，水的熔沸点均高于同族其他元素的氢化物，是因为水分子中存在非常强的分子间氢键；HF、NH₃极易溶于水，甲醇、乙醇和丙酮等与水互溶，都是由于这些物质和水之间存在很强的氢键作用的缘故。

在自然界，氢键是普遍存在的。比如，DNA稳定的双螺旋结构是由两条链上的碱基两两配位结合形成的，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同样是因为氢键的存在。从某种意义上讲，氢键在使得地球上的生命变得丰富多彩过程中发挥了重要作用。

   

冰中的氢键

（图片来源于网络：http://www.brainfuse.com/curriculumupload/1224057898133.html)

         

思政案例  中国科学家首次“看“到氢键震惊世界

科学家一直在试图回答氢键的本质是什么的问题，主要借助于X射线衍射、拉曼光谱、中子衍射等技术，这些研究方法获得的数据可以从不同的方面反映氢键的性质，然而氢键的庐山真面目仍是一个未解之谜，因此有人甚至怀疑它到底存不存在。

2013年11月，国际顶尖期刊《科学》刊发了我国国家纳米科学中心研究员裘晓辉团队利用高分辨原子力显微镜在世界上首次得到了分子间氢键的实空间图像(Science, 2013, 342, 611-614)。《科学》两位审稿人盛赞此工作“是一项开拓性的发现，真正令人惊叹的实验测量”，“是一项杰出而令人激动的工作，具有深远的意义和价值”。

裘晓辉（右二）和他的研究团队

他们在超高真空和低温条件下，通过原子力显微镜观测在铜单晶表面吸附组装的8-羟基喹啉分子，获得原子级分辨的分子化学骨架结构图像，并清晰观察到分子间存在的氢键作用，精确解析分子间氢键的构型，实现对氢键键角和键长的直接测量。

         

“通俗来说，相当于以前可以从太空中看到地面的人排成一行，现在是第一次看到原来这些人之间是手拉着手。这在分子间相互作用的机理研究领域有广阔的应用前景。”在拍到氢键照片后，裘晓辉这样形容道。

裘晓辉团队所获得的氢键图像，是世界上首次在实空间直接观测到分子间的氢键作用，为化学界争论近百年的“氢键的本质”问题提供了新的实验证据。英国著名的《自然》杂志还将分子间氢键的图像评述为当年年度三幅最震撼的图片之一。国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的氢键名词定义负责人E.Arunan博士，为此特别撰文对此项工作进行了推介，认为这将大大深化科学界对氢键本质的认识，为进一步实现氢键的人工控制提供基础，具有极其重要的科学意义和实用价值。

“看到”只是第一步，关于氢键的研究尚有很长的路要走。

裘晓辉表示，不仅是氢键，未来的研究还会拓展至其他重要化学键的研究，比如共价键、离子键等，以及进一步在原子、分子尺度上对不同化学键的强度进行测量等。

由此，我们将会了解材料构成的原因，分子在化学反应中怎样变化，知道材料的特性，逐渐绘制出材料基因图谱，指导新材料的设计，像搭积木一样，根据需要制造出新的材料等。

2013年11月22日，国家纳米科学中心研究员裘晓辉博士在介绍他们直接观察到的氢键。

         

科研工作任重道远，唯有信念坚定，方得始终。正如裘晓辉所言，“如果发现了一个有意义的科学问题，就应该沉下心来认认真真地努力解决它。”祝愿裘晓辉团队在科研的征途上继续努力，再创辉煌。