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氫是地球上最常見的元素之一，幾乎是所有有機物不可缺少的元素。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。可以說，氫鍵的存在是生命存在的基礎，有了氫鍵，地球上才會有大量液態(tài)水的存在，有了氫鍵，蛋白質(zhì)和核酸才會精確地發(fā)揮作用。但是，即便大量的研究表明氫鍵確實存在，研究者們也建立了氫鍵理論的模型，但是目前還無法實現(xiàn)以光譜或者成像的方式在單個分子中觀察到氫鍵的存在。最近，來自日本國立材料研究所的科學家Shigeki Kawai則使用AFM觀察到了單個分子中的氫鍵存在，并定量測定了氫鍵相互作用的大小，堪稱氫鍵基礎科研領域的重大突破，該項研究成果發(fā)表在Science子刊《Science Advances》。

研究者使用氫鍵研究對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），特殊的分子結構保證它們在吸附在基底平整表面可以以垂直或者“側(cè)躺”的方式，這兩種構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CO分子，使該針尖不斷地接近上述的C-H鍵，在距離達到合適的范圍內(nèi)時形成氫鍵，并可以被AFM檢測到信號并成像。

（氫鍵測試示意圖以及定量測試結果）

（對TFAP分子的模擬測試結果）

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

可以想象，這項研究無疑為氫鍵研究打開了一個新的大門，從這項技術出發(fā)，我們可以想象到更復雜的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：

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