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优化皮牛级力传感器 科学家首次“看到”氢键

来源:科技日报2019-11-11 09:19

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  透过实验室的玻璃窗,可以看见三个穿蓝色实验服的年轻人正聚精会神地在显微镜下操作着一组微型工具。“这位老师是我们中心的助理研究员,他是做电子器件的高手,正带领两位博士生在研究一个可以进行精密测量的微机械装置。”国家纳米科学中心研究员裘晓辉向科技日报记者介绍。

  工欲善其事,必先利其器。裘晓辉认为,“要在基础研究中不断有原始创新,我们不能仅停留在发表论文的状态,而要不断攻克核心技术,研发先进的仪器装置,才能去探索别人做不了的前沿问题。”

  轰动科学界,首次直接“看到”氢键

  为何水在常温下是液态;为何冰能浮在水上?“这都是氢键的神奇魔力。水分子中的两个氢原子和一个氧原子由共价键连接,而水分子之间则是由一种极微弱的作用联系在一起,这就是氢键。”裘晓辉介绍说。

  氢键是自然界中最重要、存在最广泛的分子键相互作用的形式之一,对物质和生命有至关重要的影响,很多药物也是通过和生命体内的生物大分子发生氢键相互作用而发挥效力。

  自1936年诺贝尔化学奖得主鲍林在其著作《化学键的本质》中首次提出“氢键”这一概念后,科学界就存在争论:氢键仅仅是一种分子间弱的静电相互作用,还是存在有部分的电子云共享?科学家一直在试图回答氢键是什么的问题,主要借助于X射线衍射、拉曼光谱、中子衍射等技术,这些研究方法获得的数据可以从不同的方面反映氢键的性质,然而氢键的庐山真面目仍是一个未解之谜,因此有人甚至怀疑它到底存不存在。

  裘晓辉带领研究团队研制出“利器”——极灵敏的原子力传感器,使得这一问题的研究有了突破性进展,犹如天文望远镜能够拍摄到宇宙深处星际的影像、星际之间的引力一样,使得原子力显微镜成为探明微观世界的照相机,能够为原子、分子、化学键“写真”。

  通俗地讲,“这项研究成果相当于以前可以从太空中看到地面的人排成一行,现在是第一次看到,原来这些人之间是手拉着手的。”裘晓辉引用国家纳米科学中心前主任刘鸣华研究员的话说道。

  2013年年底,《科学》杂志刊发了裘晓辉团队直接观察到分子间氢键的成果;《自然》杂志还将分子间氢键的图像评述为当年年度三幅最震撼的图片之一。

  不断创新,研制关键仪器核心部件

  “我在白春礼院长指导下进行博士生论文研究时,就知道分子能自发排列成规整结构,但是对分子间存在的这种神奇作用一直看不到。”裘晓辉说。

  而我国从德国花费数百万元购置的原子力显微镜是用于研究纳米世界的高精密仪器,却始终看不清氢键的模样。

  于是,裘晓辉带领团队对进口设备的微力传感器加以技术改进,从设计和技术方面优化了核心部件——皮牛级力传感器的性能,提高了测量仪器电子信号的信噪比,最终获得远高于标准商品化仪器的测量精度。

  高性能力传感器就是整台显微镜设备的“眼睛”。裘晓辉指导的研究生创造性改进了制作工艺,可以将原子级尖锐的钨探针粘接到谐振频率稳定的石英音叉上。

  在不懈地努力下,裘晓辉与国家纳米科学中心研究员程志海、中国人民大学教授季威的团队密切合作,在超高真空和低温条件下,通过原子力显微镜观测在铜单晶表面吸附组装的8-羟基喹啉分子,获得原子级分辨的分子化学骨架结构图像,并清晰观察到分子间存在的氢键作用,精确解析分子间氢键的构型,实现对氢键键角和键长的直接测量。

  任重道远,洞察纳米世界新知

  “当首次‘看到’清晰的氢键图像时,我们知道这是世界上第一张拍到的图像,感觉非常充实和自豪,”裘晓辉描述道,“就像在天空中多个飘荡的风筝,如果能够看见拉住风筝的每根细线,就能知道是谁在控制风筝,我们还能够测量出这根线有多硬,力度多大。”

  裘晓辉团队所获得的氢键图像,是世界上首次在实空间直接观测到分子间的氢键作用,为化学界争论近百年的“氢键的本质”问题提供了新的实验证据。科学界评价这是“一项开拓性的发现,真正令人惊叹的实验测量”,“是一项杰出而令人激动震撼的工作”。

  “实际上,分子个头越大,它们之间的作用力也越大,正如星际间的作用力。想了解世界是怎么组成的就需要搞清这些微小粒子间作用力是什么有多大。现在我们能够进行纳米尺度的测量,探测的最微弱的力相当于太阳光照在手指甲盖上力的十分之一。”裘晓辉说道。

  “看到”只是第一步,关于氢键的研究尚有很长的路要走。

  裘晓辉表示,不仅是氢键,未来的研究还会拓展至其他重要化学键的研究,比如共价键、离子键等,以及进一步在原子、分子尺度上对不同化学键的强度进行测量等。由此,我们将会了解材料构成的原因,分子在化学反应中怎样变化,知道材料的特性,逐渐绘制出材料基因图谱,指导新材料的设计,像搭积木一样,根据需要制造出新的材料等。

  科研工作任重道远,唯有信念坚定,方得始终。正如裘晓辉所言,“如果发现了一个有意义的科学问题,就应该沉下心来认认真真地努力解决它。”(华 凌)

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