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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水的存在，有了氫鍵，蛋白質和核酸才會精確地發揮作用。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“側躺”的方式，這兩種構象都可以保證最外側的C-H鍵垂直于基底平面。

（TNP與TFAP分子的頂視圖與側視圖）

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，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