氢是地球上最常见的元素之一，几乎是所有有机物不可缺少的元素。小分子以及大分子之间都可以通过氢原子之间相互作用，这种相互作用包括众所周知的氢键。可以说，氢键的存在是生命存在的基础，有了氢键，地球上才会有大量液态水的存在，有了氢键，蛋白质和核酸才会精确地发挥作用。但是，即便大量的研究表明氢键确实存在，研究者们也建立了氢键理论的模型，但是目前还无法实现以光谱或者成像的方式在单个分子中观察到氢键的存在。最近，来自日本国立材料研究所的科学家Shigeki Kawai则使用AFM观察到了单个分子中的氢键存在，并定量测定了氢键相互作用的大小，堪称氢键基础科研领域的重大突破，该项研究成果发表在Science子刊《Science Advances》。

研究者使用氢键研究对象是一种特殊的分子——螺桨烷衍生物，这类分子形状类似于飞机的螺旋桨。他们使用了两种螺桨烷衍生物：trinaphtho[3.3.3]propellane（TNP）与trifluorantheno[3.3.3]propellane（TFAP），特殊的分子结构保证它们在吸附在基底平整表面可以以垂直或者“侧躺”的方式，这两种构象都可以保证最外侧的C-H键垂直于基底平面。

（TNP与TFAP分子的顶视图与侧视图）

随后，通过特殊的方式，研究者在AFM的针尖修饰上一个CO分子，使该针尖不断地接近上述的C-H键，在距离达到合适的范围内时形成氢键，并可以被AFM检测到信号并成像。

（氢键测试示意图以及定量测试结果）

（对TFAP分子的模拟测试结果）

在氢键的经典理论中，氢键的键能强度要比分子间的范德华力大，但比化学键的小，他们得到的定量检测结果完美契合了上述经典理论。

可以想象，这项研究无疑为氢键研究打开了一个新的大门，从这项技术出发，我们可以想象到更复杂的DNA分子或其他大分子的单分子氢键研究，使得研究者可以从单分子层面揭开分子相互作用的神秘面纱！

参考文献：

Direct quantitative measurement of the C＝O⋅⋅⋅H–C bond by atomic force microscopy" Science Advances (2017). DOI: 10.1126/sciadv.1603258