氢键。裘晓辉、程志海团队拍到的世界上第一张氢键照片。他们拍到的是8-羟基喹啉分子之间的氢键。

裘晓辉（右）、程志海（左）在实验室合影。佘惠敏摄

图为由我国科学家改装并拍到世界第一张氢键照片的非接触式原子力显微镜。佘惠敏摄

博士生陈鹏程在显微镜下制作探针。本报记者佘惠敏摄

　　雪花为何总是六只角？DNA为什么能形成双螺旋结构？蛋白质分子何以相互作用？这些有趣问题的答案，都离不开对氢键的认识。科学家们1936年就通过理论分析提出了“氢键”的概念，但一直不能眼见为实。

　　直到去年年底，神秘氢键的倩影终于被我国科学家用照片记录下来。国家纳米科学中心研究员裘晓辉、副研究员程志海领导的纳米表征与测量研究团队，拍下了世界上第一张氢键照片。这一成果在今年11月初的《科学》杂志上以论文形式发表后，引起科学界的轰动：《科学》审稿人盛赞此工作“是一项开拓性的发现，真正令人惊叹的实验测量”，大量国际著名学术期刊和科学媒体纷纷以“第一张氢键照片”，“首次看见氢键”，“首次揭示神秘氢键”等为题，迅速报道了这一革命性成果。

　　那么，什么是氢键？我们又是如何拍到它的照片？请看本报记者发回的报道。

　　什么叫做氢键 

　　中国人喜欢十全十美，但原子和分子的世界中却遵循“8个才完美”的规律。原子由原子核和电子云组成，当电子在原子核外排列时，会按能量高低分在不同轨道，最内圈轨道有2个电子，之后从第二圈起，每排满8个电子就晋位下一圈轨道。

　　比如，我们厨房里常用的食盐是氯化钠（NaCl），氯原子和钠原子是如何结合成食盐的呢？

　　元素周期表上排名11的钠原子含有11个质子的原子核和含11个电子的电子云，电子按2、8、1的数目排列在三个轨道上，最外圈只有1个电子；而排名17的氯原子有17个质子、17个电子，电子按2、8、7排列，最外圈有7个电子。

　　以8为完美标准，钠原子最外圈多1个电子，氯原子最外圈缺1个电子。所以，当钠原子遇到氯原子，就有一个电子从钠原子处“跳槽”到氯原子那里，让双方都变得完美而稳定。

　　由于每个质子带一个正电，每个电子带一个负电，这种变化让钠原子变成了带正电的钠离子，氯原子变成了带负电的氯离子，“异性相吸”的钠离子和氯离子之间，就此形成了稳定的离子键。

　　促使分子形成的力量，除了离子键，还有共价键，二者都属于化学键。

　　氧气分子（O2）内部两个氧原子间，就是共价键在起作用。一个氧原子有8个电子，按2、6的数目排列在两个轨道上，当两个氧原子相遇时，都缺2个电子才能达到“外8”的完美。这时候，它俩不能像氯化钠那样“损有余以补不足”，就只好采取“共轨双赢”的策略来求取平衡——每个氧原子各交出2个电子放到二者的轨道交集上，这样就有4个电子是双方共有，加上各自拥有的外圈剩下的4个电子，正好又达到了“8”。

　　原子就是这样，通过离子键或者共价键这样的化学键来组成分子。那么，如果遇到极端情况呢？比如，只有一个电子的氢原子，当它与其他原子结合，不得不把“独生”电子交出去时，它的原子核岂不是就要“裸奔”了么？

　　我们日常生活中常见的水分子（H2O），就是由一个氧原子和两个氢原子组成，连接它们的是共价键。当1个电子的氢原子，碰到8个电子的氧原子时，每个氢原子都出1个电子，与氧原子外层的1个电子“共轨”，这样，只有最内层电子轨道的氢原子达到了内“2”的平衡，而最外层轨道有6个电子的氧原子，在跟两个氢原子各共用两个电子后，又达到了“外8”的平衡。

　　水分子是性质特殊的极性分子，这是因为在水分子中，“共轨”的电子只能在氧原子和氢原子之间结合的那一侧存在，形成电子云，氢原子对外的那一侧就因为没有电子，而把带正电的原子核裸露出来。如果把水分子看做一个大脑袋小人，这个小人的大脑袋氧原子就带着负电，而两只脚丫氢原子带着正电。这样，当不同的水分子相遇时，因为正负电荷的相互作用，这个水分子的脑袋会倾向于和那个水分子的脚丫子“异性相吸”，最后形成一大团水的聚合体。这种水分子间的作用力就叫“氢键”，是氢原子对外裸露而产生的分子间的弱相互作用。

　　“氢键相当于两个人手拉手，可以拉也可以分，它在本质上和化学键不同。化学键连接的是你自己的手和脚，不能分开。”裘晓辉这样解释二者之间的区别。“氢键就是半裸的氢原子核作为桥，把分子拉到一起。所以有氢键的，分子中必须有氢原子。”

　　怎么看到氢键 

　　由于氢是自然界中普遍存在的元素，氢键就成了自然界中最重要，存在最广泛的分子间相互作用形式之一。虽然氢键的强度相对于共价键非常弱，但对物质的性质有至关重要的影响——氢键作用使水在常温下以液态存在，使冰能够浮在水面上，使雪花成为六角形，使DNA形成双螺旋结构、使氨基酸组成蛋白质大分子……

　　正因为氢键如此重要，“看到”氢键就成为化学、生命科学、医药学等多学科专家们的共同心愿。

　　然而，看到氢键又是何等困难！早在1936年出版的《化学键的本质》一书中，诺贝尔化学奖获得者鲍林就已正式提出氢键概念。一个多世纪过去了，人们对氢键特性的研究主要借助于X射线衍射、拉曼光谱、中子衍射等技术进行间接分析，从来没有真正地看到过氢键。

　　要看到氢键，需要进入原子的世界，而原子非常小，一亿个原子手拉手站成一排，才有人类手指头那么宽。我们要用什么来触摸原子世界？

　　用原子来探查原子。

　　1986年的诺贝尔物理学奖被授予电子显微镜和扫描隧道显微镜的设计者。人们借助扫描隧道显微成像，第一次看到了原子。扫描隧道电子显微镜已经成为许多实验室的常规装备，其原理，是将电荷放置在探针针尖上，针尖细到只有一个原子，当探针扫过被探测物的单个原子，流过探针的电流量便有所不同，通过电流的涨落，便描出原子的轮廓。

　　为了实现更高分辨率，2007年国际上出现了原子力显微镜，针尖还是单个原子，但不再探测电流——研究人员用振动的探针靠近样品，当针尖原子与样品原子离得很近、电子云发生重叠时，就产生了原子间的泡利排斥力，使探针振动频率发生偏移，再检测探针频率就能得到扫描图像。由于共价键上有电子云分布，能产生泡利排斥力，人们就使用这种显微镜在2009年看见了原子间的共价键。

　　不过，比共价键弱很多的氢键，虽然也有电子云分布，却还没有被人们看到。

　　2007年，裘晓辉、程志海团队从德国进口了一台通用的商业化扫描探针显微镜，然后对其进行“改装”。“我们把它改装成了超高真空低温扫描探针显微镜。真空是为了排除干扰。低温是为了把分子冻住，不让它乱跑，这样才能成像。”裘晓辉说，实验组把显微镜改装成非接触原子力显微镜，国际上仅有三五个课题组能达到此种水准。

　　改装后，机械噪音被降低了3-5倍，电子学噪音被进一步降低。最重要的是，他们用自有技术，自制了原子力显微镜的核心部件——高性能的原子力传感器，也就是那个关键的探针，极大地提升了现有设备的稳定性和信噪比。“探针的振动幅度被降低到一个埃米，小于化学键键长。整台机器的图像分辨率在改装后提高了100倍。”

　　在实验室，记者看到正在制作探针的博士生陈鹏程。他以6毫米长、2毫米宽的石英表音叉为原料，将钨探针粘接到谐振频率稳定的石英音叉上，先在普通显微镜下磨出几个纳米细的钨针尖，再放到真空显微镜中拉出一个钨原子的探针尖。

　　“探针的尖是一个原子，必须拉出一个原子来，才能清晰成像。如果针尖上有俩钨原子，就会出现双影。一个探针，熟手也要花4-5个小时制作，运气好时能用三个月，运气不好一天就坏了。”裘晓辉说，“我们经历过无数次失败，然后不断改进。当第一次看到清晰的氢键图像时，我们知道这是世界上第一张，感觉非常充实和自豪。”

　　看到氢键以后 

　　国家纳米中心2003年成立，是中国科学院和北京大学、清华大学共建的科研机构。拍到第一张氢键照片，是纳米中心成立10年来的几个最重要发现之一。

　　“纳米技术的发展日新月异，超越想象，使人类可以看到原子、分子、化学键，甚至现在看到氢键。”国家纳米中心主任刘鸣华说，千言万语不如一图，氢键的高清晰度照片能帮助科学家们理解其本质，进而为控制氢键、利用氢键奠定基础。在此基础上，我们未来有可能人工影响或控制水、DNA和蛋白质的结构，生命体和我们生活的环境也可能因此而改变。“如支撑DNA双螺旋结构的就是氢键，一个三重氢键，一个两重氢键，氢键还能解开和复制，在生命遗传中起到非常重要作用。”

　　通过用自主创新技术改装成的非接触原子力显微镜，我国科学家用纳米技术实现了对分子的共价键化学骨架、分子间氢键以及分子-金属原子间配位键的超高分辨空间成像。并据此精确解析了分子间氢键的构型，实现了对氢键键角和键长的直接测量。该项研究方法开辟了一条崭新的实验途径，在分子间相互作用的机理研究领域有广阔的应用前景。

　　“这套设备不止可以拿来看氢键。”裘晓辉表示，“比如说，下一步我们可能拿它来观察卤素键，卤素是化学催化剂中常用的，与氢键相比，卤素键含量更低、信号更弱，活性更强、需要用更低温来冻住，对它的观察需要我们让这套设备的各项性能进一步提高。”

　　非接触原子力显微镜这项技术目前还只能在超低温和高真空环境下使用，未来如果这项技术被推广到自然环境下应用、成为各行业科技工作者的常用研究手段，人们又将对这个世界的本质有更深层的理解和利用。

　　（原载于《经济日报》 2013-11-27 16版）