物理学的一大步，科学家首次直接检测到了氢键

照片来源:基础大学物理系

物理学家首次成功地直接在单个分子中检测到氢键，这意味着理论方法现在可以应用于观察宇宙中最小和最丰富的元素。这个实验也证明了我们的成像设备已经可以达到极高的灵敏度，因为氢键比其他化学键弱得多。在过去，不可能直接看到氢键。现在，科学家可以用原子力显微镜清楚地观察氢键，他们也可以精确地测量氢键的力值。

在科学家想进一步揭示的许多元素中，氢可以说是第一位的:它构成了宇宙中75%的可见物质和90%的原子总量；它很容易与元素周期表中几乎所有的非金属元素形成化合物，它与氧和碳的结合是人类生存的关键因素。你也应该感谢氢键给你带来了一个稳定的双螺旋结构的DNA——有了这个千千的一千万个氢键，你的DNA碱基对将保持完整，这表明氢确实是人类生活的基石之一。

然而，研究最高纯度的氢键将面临两个挑战:氢和原子一样小；氢键很脆弱，容易断裂，尤其是在研究单个分子的过程中。

巴塞尔大学瑞士纳米科学研究所的研究人员表示，氢原子具有巨大的物理和化学价值。然而，经过许多分析研究，人们仍然不能直接观察单个分子中的氢原子。

瑞士团队通过使用特殊的螺旋桨状氢化合物螺氧烷，成功地测量了一个氧原子和两个氢原子之间的力和距离。

“我们的计算证实了定向结合信号和氢键的特征。直接测量单个氢原子和其他物质之间的相互作用可以为识别三维分子如DNA和聚合物铺平道路，”研究人员说。

他们是怎么做到的？

他们选择碳氢化合物，它们总是有两个指向上方的氢键。

你可以看到螺旋桨形状的侧视图，白色部分是氢原子(第二个指向上的氢键在第一个氢键之后被阻断):

资料来源:河井茂树et.al/scienceadvancers

接下来，该小组将分子置于原子力显微镜下，这是一种高分辨率扫描探针显微镜，可以用来观察和测量非常小的力值。

他们用一氧化碳增加了显微镜的尖端，从而使显微镜对氢极其敏感。当显微镜尖端和氢原子之间的距离足够小时，团队成员可以直接观察到形成的氢键。

在这张图片中，你可以看到两个氢原子指向上方:

螺旋桨烷烃(下方)和一氧化碳显微镜头(上方)之间形成氢键。

图片来源:巴塞尔大学物理系

在上图中，你可以看到上面的一氧化碳尖端和下面的碳氢化合物“螺旋桨烷烃”一起形成氢键。

经过比较，研究人员发现他们的结果可以准确地匹配现有的这类分子的氢键计算模型。

正如研究人员所说，碳氢化合物是工程、化学和生活的核心领域中极其多样化和功能性的产品之一，而氢在这些功能中至关重要。因为我们可以直接测量氢键，我们很快就能以全新的视角见证宇宙中最基本的建筑元素之一。新的物理水平将把我们带到哪里？多匆忙啊！

蝌蚪工作人员从科学警报，翻译李，转载必须授权