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—— 第二部分 国家自然科学基金项目成果巡礼 ——

  氢键是自然界中广泛存在的、最重要的分子间相互作用形式之一。虽然氢键的强度相对化学键较弱,但是对物质的性质有至关重要的影响。例如,氢键作用使得水在常温下以液态存在、DNA形成双螺旋结构、蛋白质的二级结构等。1936年,诺贝尔化学奖获得者Pauling在《化学键的本质》一书中首次提出了氢键的概念。长期以来,科学界普遍认为氢键是一种弱的静电相互作用,然而近年来有实验证据显示氢键似乎有类似共价键的特性,即形成氢键的原子间也存在微弱的电子云共享。2011年,国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)推荐了氢键的新定义,但是有关氢键作用的本质这一问题的研究远没有结束。对氢键的精确实验测量,如作用位点、键角、键长、键强度,不仅有助于阐明氢键的本质,并且对于功能材料及药物分子的设计更有着重要意义。目前氢键研究主要使用x射线衍射、红外和拉曼光谱、核磁共振以及近边x射线吸收精细结构等方法,然而这些谱学测量缺乏空间分辨信息,难以在原子、分子尺度直接探测分子间相互作用。

  国家纳米科学中心的裘晓辉研究员及其合作团队利用原子力显微镜技术在实空间观测到分子间氢键和配位键的相互作用,在国际上首次实现了对分子间局域作用的直接成像,据此精确解析了分子间氢键的构型,实现了对键角和键长的直接测量。2013年11月1日,Science以“Report”形式发表了该项成果,并在同期的“This Week in Science”栏目以“看见氢键”为题进行了评述推介。大量国际著名学术期刊、新闻媒体随后广泛地报道了这一开创性成果,包括英国皇家化学会的Chemistry World,美国化学学会的Chemical & Engineering News,Nature physics以及Nature China的“Research Highlights”栏目,国际科技出版媒体Wiley的Microscopy & Analysis杂志的“Editorial”等,纷纷以“第一张氢键照片”,“首次看见氢键”,“首次揭示神秘氢键”等为题进行了介绍。国际纯粹与应用化学联合会的氢键推荐定义负责人E. Arunan博士特别撰文论述了此项工作,认为其将深化对氢键本质的认识,具有极其重要的科学意义和应用价值。最近,该项结果又入选Nature评选的2013年度图片,并认为是该年度国际科学界最震撼的3张图片之一。

  该研究团队长期坚持自主研制、升级和改造科研装备,通过对现有仪器设备的优化,特别是独立自主地自制核心部件-高性能qPlus型力传感器,极大地提高了仪器性能,关键技术指标达到国际最好水平。利用高分辨原子力显微图像可以获得丰富的分子结构和性质信息,包括分子构型、化学键组态、分子官能团及作用位点等,为研究复杂分子间作用、分子组装以及化学识别开辟了一条崭新的实验途径,在功能材料和药物分子设计等应用研究等领域有着广阔的应用前景。

  该研究得到自然科学基金面上项目和青年科学基金项目的资助。

 
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