物理学的一大步,科学家首次直接检测到了氢键

作者:李二宝/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-05-19

为探寻宇宙生命奥秘扫除障碍。

物理学的一大步,科学家首次直接检测到了氢键

图片来源:University of Basel, Department of Physics

  物理学家首次成功地在单个分子中直接检测出氢键——这意味着那些理论化的方法如今可以被应用于观察宇宙中最小且含量最丰富的元素了。此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,因为氢键远比其他化学键要弱得多。在过去,要直接看到氢键是不可能的。现在,科学家使用原子力显微镜就能清晰地观察氢键,他们还能准确地测量出氢键的力值。

  在科学家想要进一步揭秘的众多元素中,氢元素可以说是位列第一:它构成了宇宙中75%的可见物质和原子总量的90%;它能轻松地和元素周期表上几乎所有非金属元素组成化合物,它和氧、碳的结合正是人类存在的关键因素;你还应该感谢氢键为你带来稳定的DNA双螺旋结构——有了这千千万万的氢键,你的DNA碱基对才会保持完整,这说明了氢的确是人类生命的基石之一。

  然而,以纯度最高的方式研究氢键将面临两大挑战:氢小得像原子一样;氢键脆弱易断,尤其是在研究单分子的过程中。

  巴塞尔大学的瑞士纳米科学研究所的研究人员表示氢原子具有重大的物理和化学价值;但在众多分析研究后,人们还是无法直接在单分子中直接观察氢原子。

  螺桨烷这种氢化合物带有类似螺旋桨的结构,利用这种特殊的化合物,该瑞士团队成功测量了一个氧原子和两个氢原子之间的力和距离。

  “我们的计算确认了定向结合的信号和氢键的特性。直接测量单个氢原子和其他物质的相互作用能够为三维分子(如DNA和高分子聚合物)的识别铺平道路,”研究人员说。

  他们是怎么做到的呢?

  他们挑选了碳氢化合物,这种化合物总是有两个氢键向上指。

  你可以看到螺旋桨形状的侧视图,白色部分是氢原子(第二个向上指的氢键被挡在第一个氢键之后):

物理学的一大步,科学家首次直接检测到了氢键

图片来源:Shigeki Kawai et. al/Science Advances

  接下来,团队把该分子放在原子力显微镜下,原子力显微镜是一种高分辨率的扫描探针显微镜,它能用于观察和测量极小的力值。

  他们用一氧化碳增大显微镜的尖端,从而使显微镜对氢极为敏感。当显微镜的尖端和氢原子的距离足够小,团队人员就可以直接观测到形成的氢键。

  在这个图像中,你可以看到两个氢原子向上指:

  螺桨烷(下方)和一氧化碳显微镜针尖(上方)之间形成了氢键。

物理学的一大步,科学家首次直接检测到了氢键

图片来源:巴塞尔大学,物理系

  在上面的插图中,你可以看到上方的一氧化碳尖端和下方的碳氢化合物“螺桨烷”共同形成氢键。

  经对比,研究人员发现他们的成果能准确地匹配已有的该类分子的氢键计算模型。

  正如研究人员说的,碳氢化合物是工程、化学和生命的核心领域中极为多样和功能化的产物之一,而氢在这些功能中极为关键。既然我们能直接测量氢键,我们很快就能用全新的眼光见证宇宙中最基本的构建元素之一了。新的物理水平要把我们带到什么地方呢?真是让人迫不及待啊!

 

  蝌蚪五线谱编译自sciencealert,译者 李二宝,转载须授权

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