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氢键是化学键吗 物理学的飞跃!人类首次直接检测到氢键

2021-06-14 15:56  本文已影响 人 

物理学家第一次成功地直接在单个分子中检测到氢键,这意味着那些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可以达到极高的灵敏度,因为氢键比其他化学键弱很多。

以前是不可能直接看到氢键的。现在,科学家可以用原子力显微镜清晰地观察氢键,并且可以准确地测量氢键的力值。

在科学家们想进一步揭示的众多元素中,氢可以说排在第一位:它构成了宇宙中75%的可见物质和90%的原子总量;它能很容易地与元素周期表上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;你还应该感谢氢键给你带来了稳定的DNA双螺旋结构——有了这个千千氢键,你的DNA碱基对就会保持完整,这说明氢的确是人类生命的基石之一。

但是,研究纯度最高的氢键将面临两大挑战:氢小到原子;氢键很脆弱,容易断裂,特别是在研究单分子的过程中。

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

Propellane是一种氢化合物,具有类似螺旋桨的结构。利用这种特殊的化合物,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。

“我们的计算证实了定向结合信号和氢键的特征。直接测量单个氢原子与其他物质的相互作用,可以为三维分子的识别铺平道路。”研究人员说。

他们是怎么做到的?

他们选择了碳氢化合物,它们总是有两个指向上方的氢键。

可以看到螺旋桨形状的侧视图,白色部分是氢原子:

图片来源:河井茂树et.al/science进步

接下来,研究小组将分子放在原子力显微镜下,这是一种高分辨率的扫描探针显微镜,可以用来观察和测量非常小的力值。

他们用一氧化碳放大了显微镜的尖端,这使得它对氢气极其敏感。当显微镜尖端与氢原子的距离足够小时,研究小组就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:

螺旋和一氧化碳显微镜头之间形成氢键。

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“推进器”一起形成氢键。

通过比较,研究人员发现他们的结果可以准确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、化学和生活核心领域中最多样和最具功能性的产品之一,氢气在这些功能中起着关键作用。由于我们可以直接测量氢键,我们很快就可以用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?真是让人等不及了!

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