看,這就是氫鍵文檔(2)

1、看，這就是氫鍵！2013.11.27 09:01來源： 經(jīng)濟(jì)日報作者： 記者 佘惠敏字號：【大 中 小 】氫鍵。裘曉輝、程志海團(tuán)隊拍到的世界上第一張氫鍵照片。他們拍到的是8- 羥基喹啉分子之間的氫鍵。裘曉輝（右）、程志海（左）在實(shí)驗(yàn)室合影。本報記者佘惠敏攝圖為由我國科學(xué)家改裝并拍到世界第一張氫鍵照片的非接觸式原子力顯微鏡。本報記者佘惠敏攝博士生陳鵬程在顯微鏡下制作探針。本報記者佘惠敏攝雪花為何總是六只角？DNA為什么能形成雙螺旋結(jié)構(gòu)？蛋白質(zhì)分子何以相互作用？這些有趣問題的答案，都離不開對氫鍵的認(rèn)識?？茖W(xué)家們 1936 年就通過理論分析提出了“氫鍵”的概念，但一直不能眼見為實(shí)。直到去年年底， 神

2、秘氫鍵的倩影終于被我國科學(xué)家用照片記錄下來。國家納米科學(xué)中心研究員裘曉輝、 副研究員程志海領(lǐng)導(dǎo)的納米表征與測量研究團(tuán)隊， 拍下了世界上第一張氫鍵照片。這一成果在今年 11 月初的科學(xué)雜志上以論文形式發(fā)表后，引起科學(xué)界的轟動： 科學(xué)審稿人盛贊此工作“是一項開拓性的發(fā)現(xiàn)，真正令人驚嘆的實(shí)驗(yàn)測量”， 大量國際著名學(xué)術(shù)期刊和科學(xué)媒體紛紛以“第一張氫鍵照片”，“首次看見氫鍵”，“首次揭示神秘氫鍵”等為題，迅速報道了這一革命性成果。那么，什么是氫鍵？我們又是如何拍到它的照片？請看本報記者發(fā)回的報道。什么叫做氫鍵中國人喜歡十全十美，但原子和分子的世界中卻遵循“8個才完美”的規(guī)律。原子由原子核和電子云組成，當(dāng)

3、電子在原子核外排列時，會按能量高低分在不同軌道，最內(nèi)圈軌道有 2 個電子，之后從第二圈起，每排滿8 個電子就晉位下一圈軌道。比如，我們廚房里常用的食鹽是氯化鈉（NaCl），氯原子和鈉原子是如何結(jié)合成食鹽的呢？元素周期表上排名11 的 原子含有11 個 子的原子核和含11 個 子的 子云， 子按 2、 8、 1 的數(shù)目排列在三個 道上，最外圈只有1 個 子；而排名17 的 原子有 17 個 子、 17 個 子， 子按2、 8、 7 排列，最外圈有7 個 子。以 8 完美 準(zhǔn)， 原子最外圈多1 個 子， 原子最外圈缺1 個 子。所以，當(dāng) 原子遇到 原子，就有一個 子從 原子 “跳槽”到 原子那里，

4、 雙方都 得完美而 定。由于每個 子 一個正 ，每個 子 一個 ， 種 化 原子 成了 正 的 離子， 原子 成了 的 離子，“異性相吸”的 離子和 離子之 ，就此形成了 定的離子 。促使分子形成的力量，除了離子 ， 有共價 ，二者都屬于化學(xué) 。氧氣分子（O2）內(nèi)部兩個氧原子 ， 就是共價 在起作用。一個氧原子有8 個 子，按 2、6 的數(shù)目排列在兩個 道上， 當(dāng)兩個氧原子相遇 ， 都缺 2 個 子才能達(dá)到“外8”的完美。 候，它 不能像 化 那 “ 有余以 不足”，就只好采取“共 雙 ”的策略來求取平衡每個氧原子各交出2 個 子放到二者的 道交集上， 就有4個 子是雙方共有，加上各自 有的外

5、圈剩下的4 個 子，正好又達(dá)到了“ 8”。原子就是 ，通 離子 或者共價 的化學(xué) 來 成分子。那么，如果遇到極端情況呢？比如，只有一個 子的 原子，當(dāng)它與其他原子 合，不得不把“獨(dú)生” 子交出去 ，它的原子核 不是就要“裸奔”了么？我 日常生活中常 的水分子（H2O），就是由一個氧原子和兩個 原子 成， 接它 的是共價 。當(dāng)1 個 子的 原子，碰到8 個 子的氧原子 ，每個 原子都出1 個 子，與氧原子外 的1 個 子“共 ”， ，只有最內(nèi) 子 道的 原子達(dá)到了內(nèi)“ 2”的平衡，而最外 道有6 個 子的氧原子，在跟兩個 原子各共用兩個 子后，又達(dá)到了“外8”的平衡。水分子是性 特殊的極性分子，

6、 是因 在水分子中，“共 ”的 子只能在氧原子和 原子之 合的那一 存在，形成 子云， 原子 外的那一 就因 沒有 子，而把 正 的原子核裸露出來。如果把水分子看做一個大 袋小人， 個小人的大 袋氧原子就 著 ，而兩只腳丫 原子 著正 。 ，當(dāng)不同的水分子相遇 ，因 正 荷的相互作用， 個水分子的 袋會 向于和那個水分子的腳丫子“異性相吸”，最后形成一大 水的聚合體。 種水分子 的作用力就叫“ ”，是 原子 外裸露而 生的分子 的弱相互作用?！?相當(dāng)于兩個人手拉手，可以拉也可以分，它在本 上和化學(xué) 不同?；瘜W(xué) 接的是你自己的手和腳，不能分開。”裘 解 二者之 的區(qū) ?！?就是半裸的 原子核作

7、，把分子拉到一起。所以有 的，分子中必 有 原子?！痹趺纯吹?由于 是自然界中普遍存在的元素， 就成了自然界中最重要，存在最廣泛的分子 相互作用形式之一。 然 的 度相 于共價 非常弱，但 物 的性 有至關(guān)重要的影響 作用使水在常溫下以液 存在，使冰能 浮在水面上，使雪花成 六角形，使DNA形成雙螺旋 構(gòu)、使氨基酸 成蛋白 大分子正因 如此重要，“看到” 就成 化學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī) 學(xué)等多學(xué)科 家 的共同心愿。然而，看到 又是何等困 ！早在1936 年出版的化學(xué) 的本 一 中， 化學(xué) 得者 林就已正式提出 概念。一個多世 去了，人 特性的研究主要借助于 X 射 衍射、拉曼光 、中子衍射等技 行

8、接分析，從來沒有真正地看到 。要看到氫鍵，需要進(jìn)入原子的世界，而原子非常小，一億個原子手拉手站成一排，才有人類手指頭那么寬。我們要用什么來觸摸原子世界？用原子來探查原子。1986 年的諾貝爾物理學(xué)獎被授予電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡的設(shè)計者。 人們借助掃描隧道顯微成像， 第一次看到了原子。掃描隧道電子顯微鏡已經(jīng)成為許多實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)裝備，其原理，是將電荷放置在探針針尖上，針尖細(xì)到只有一個原子，當(dāng)探針掃過被探測物的單個原子，流過探針的電流量便有所不同，通過電流的漲落，便描出原子的輪廓。為了實(shí)現(xiàn)更高分辨率， 2007 年國際上出現(xiàn)了原子力顯微鏡，針尖還是單個原子， 但不再探測電流研究人員用振動的探針靠

9、近樣品，當(dāng)針尖原子與樣品原子離得很近、電子云發(fā)生重疊時，就產(chǎn)生了原子間的泡利排斥力，使探針振動頻率發(fā)生偏移，再檢測探針頻率就能得到掃描圖像。由于共價鍵上有電子云分布，能產(chǎn)生泡利排斥力，人們就使用這種顯微鏡在 2009 年看見了原子間的共價鍵。不過，比共價鍵弱很多的氫鍵，雖然也有電子云分布，卻還沒有被人們看到。2007 年，裘曉輝、程志海團(tuán)隊從德國進(jìn)口了一臺通用的商業(yè)化掃描探針顯微鏡，然后對其進(jìn)行“改裝”?！拔覀儼阉难b成了超高真空低溫掃描探針顯微鏡。真空是為了排除干擾。低溫是為了把分子凍住，不讓它亂跑，這樣才能成像?！濒脮暂x說，實(shí)驗(yàn)組把顯微鏡改裝成非接觸原子力顯微鏡，國際上僅有三五個課題組能達(dá)

10、到此種水準(zhǔn)。改裝后，機(jī)械噪音被降低了 3-5倍，電子學(xué)噪音被進(jìn)一步降低。最重要的是，他們用自有技術(shù)， 自制了原子力顯微鏡的核心部件高性能的原子力傳感器，也就是那個關(guān)鍵的探針， 極大地提升了現(xiàn)有設(shè)備的穩(wěn)定性和信噪比。“探針的振動幅度被降低到一個埃米，小于化學(xué)鍵鍵長。整臺機(jī)器的圖像分辨率在改裝后提高了100 倍?！痹趯?shí)驗(yàn)室，記者看到正在制作探針的博士生陳鵬程。他以6 毫米長、 2 毫米寬的石英表音叉為原料， 將鎢探針粘接到諧振頻率穩(wěn)定的石英音叉上，先在普通顯微鏡下磨出幾個納米細(xì)的鎢針尖，再放到真空顯微鏡中拉出一個鎢原子的探針尖。“探針的尖是一個原子，必須拉出一個原子來，才能清晰成像。如果針尖上有倆

11、鎢原子，就會出現(xiàn)雙影。一個探針，熟手也要花4-5 個小時制作，運(yùn)氣好時能用三個月，運(yùn)氣不好一天就壞了?！濒脮暂x說，“我們經(jīng)歷過無數(shù)次失敗，然后不斷改進(jìn)。當(dāng)?shù)谝淮慰吹角逦臍滏I圖像時，我們知道這是世界上第一張，感覺非常充實(shí)和自豪。”看到氫鍵以后國家納米中心 2003 年成立， 是中國科學(xué)院和北京大學(xué)、清華大學(xué)共建的科研機(jī)構(gòu)。拍到第一張氫鍵照片，是納米中心成立10 年來的幾個最重要發(fā)現(xiàn)之一?！凹{米技術(shù)的發(fā)展日新月異，超越想象，使人類可以看到原子、分子、化學(xué)鍵，甚至現(xiàn)在看到氫鍵?！眹壹{米中心主任劉鳴華說，千言萬語不如一圖，氫鍵的高清晰度照片能幫助科學(xué)家們理解其本質(zhì)，進(jìn)而為控制氫鍵、利用氫鍵奠定基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，我們未來有可能人工影響或控制水、DNA和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，生命體和我們生活的環(huán)境也可能因此而改變。 “如支撐 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的就是氫鍵， 一個三重氫鍵， 一個兩重氫鍵，氫鍵還能解開和復(fù)制，在生命遺傳中起到非常重要作用?！蓖ㄟ^用自主創(chuàng)新技術(shù)改裝成的非接觸原子力顯微鏡，我國科學(xué)家用納米技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對分子的共價鍵化學(xué)骨架、分子間氫鍵以及分子- 金屬原子間配位鍵的超高分辨空間成像。并據(jù)此精確解析了分子間氫鍵的構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)了對氫鍵鍵角和鍵長的直接測量。該項研究方法開辟了一條嶄新的實(shí)驗(yàn)途徑，在分子間相互作用的機(jī)理研究領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景?！斑@套設(shè)備不止可以拿來看氫鍵。”裘曉輝表示，“比如說