利用原子力显微镜，中国科学家在国际上首次实现对分子间局域作用的直接成像。
人类肉眼无法看见分子和原子的微观世界，但这个微小世界里，却无时无刻不在发生着奇妙的变化。千百年来，科学家只能通过抽象的思维想象，或间接的实验现象，来证明分子、原子的存在。直到1982年，世界上第一台扫描隧道显微镜（STM）诞生，人类才第一次真正“看见”了原子。2009年，人类通过原子力显微镜（AFM），又进一步“看见”了分子和分子内化学键的形貌。 而今天，中国科学家又向前迈出了重要的一步——利用非接触原子力显微镜（NC—AFM），在世界上首次得到了8－羟基喹啉分子间氢键的实空间图像。这项研究由国家纳米科学中心裘晓辉研究员、程志海副研究员领导的纳米表征与测量研究团队，以及中国人民大学物理系季威副教授领导的理论计算小组合作完成，相关论文《原子力显微镜实空间观测分子间相互作用》（Real-Space Identification of Intermolecular Bonding with Atomic Force Microscopy）发表在2013年11月1日的《科学》（Science）杂志上。 分子间的氢键通常可用X－H…Y来表示，是一种分子间作用力。在自然界，这种作用力普遍存在，比如DNA的双螺旋结构需要靠氢键固定；氨基酸形成完整的蛋白质结构，也需要氢键的参与；冰之所以能浮于水面，保护海水不冻结，也是因为氢键的存在——可以说，氢键是地球上生命得以延续的关键。 与“看见”分子内化学键相比，“看见”更加微弱的氢键，是一项极具挑战性的工作。在接受本刊记者采访时，程志海表示，“与共价健相比，氢键强度很弱，虽然我们希望，也认为应该能看见，但没有想到的是，在扫描出的图像中，氢键的清晰度和共价键几乎相当。我们下一步的目标，是借助原子/分子操纵技术，直接测量出单个氢键的强度，然后再对DNA、蛋白质以及水和冰，这些更为复杂的体系中氢键的形貌进行相关的研究”。 作为扫描探针系列显微镜的一种，原子力显微镜测量的是探针顶端原子和样品原子间的相互作用力——即当两个原子离得很近，电子云发生重叠时，产生的泡利（Pauli）排斥力。非接触原子力显微镜，顾名思义，就是探针不直接与样品接触：研究人员使振动的探针靠近样品，当靠近到一定距离时，针尖原子与样品原子的泡利排斥力，将使探针的振动频率发生偏移，通过检测探针的振动频率，就可以反映出针尖原子与样品原子的相互作用力。样品中电子云密度越大的地方，相互作用力就越大，在扫描得到的图像中信号就越强，也就更清晰。 虽然原子力显微镜的原理并不难懂，但其精度的提高却让科学家绞尽脑汁，因为这种测量不仅需要原子力传感器自身极为精密，还要尽可能地减小来自实验室或周边环境的震动，稍有不慎，图像就会模糊或者扭曲。 此次成像用到的非接触原子力显微镜，是研究团队花了2年多时间，将一台原有扫描探针显微镜进行升级、改造后得到的。研究团队不仅将机械噪音降低了3～5倍，进一步降低了电子学噪音，还利用自己的一项专利技术，制作了性能优良的原子力传感器，使探针的振动幅度降低到一个埃（10-10米，小于化学键键长）的程度，极大地提高了现有设备的稳定性和信噪比。 “一张图片胜过千言万语”。氢键的实空间成像，为科学家打开了各种可能——搞清楚氢键的成像机制，可以帮助我们理解氢键的本质，进而为控制氢键，改变化学反应和分子聚集体的结构奠定基础。 在此基础上，如果我们可以影响或控制水、DNA和蛋白质的结构，就有可能改变整个生命体和我们生存的环境。 非接触原子力显微镜这项技术，目前只能应用在超低温和高真空环境下，国家纳米科学中心的研究人员希望，用几年甚至10多年的时间，将这项技术推广到在自然环境下应用，成为各行业科学家日常研究的手段。 也许有一天，流体动力学家可以通过非接触原子力显微镜，直接观察气泡表面的微观活动，化学家合成新分子时，可以不必再费力地分离、提纯、检测，只须将样品放在探针“镜头”下，就能直接看到分子的结构。
人类肉眼无法看见分子和原子的微观世界，但这个微小世界里，却无时无刻不在发生着奇妙的变化。千百年来，科学家只能通过抽象的思维想象，或间接的实验现象，来证明分子、原子的存在。直到1982年，世界上第一台扫描隧道显微镜（STM）诞生，人类才第一次真正“看见”了原子。2009年，人类通过原子力显微镜（AFM），又进一步“看见”了分子和分子内化学键的形貌。 而今天，中国科学家又向前迈出了重要的一步——利用非接触原子力显微镜（NC—AFM），在世界上首次得到了8－羟基喹啉分子间氢键的实空间图像。这项研究由国家纳米科学中心裘晓辉研究员、程志海副研究员领导的纳米表征与测量研究团队，以及中国人民大学物理系季威副教授领导的理论计算小组合作完成，相关论文《原子力显微镜实空间观测分子间相互作用》（Real-Space Identification of Intermolecular Bonding with Atomic Force Microscopy）发表在2013年11月1日的《科学》（Science）杂志上。 分子间的氢键通常可用X－H…Y来表示，是一种分子间作用力。在自然界，这种作用力普遍存在，比如DNA的双螺旋结构需要靠氢键固定；氨基酸形成完整的蛋白质结构，也需要氢键的参与；冰之所以能浮于水面，保护海水不冻结，也是因为氢键的存在——可以说，氢键是地球上生命得以延续的关键。 与“看见”分子内化学键相比，“看见”更加微弱的氢键，是一项极具挑战性的工作。在接受本刊记者采访时，程志海表示，“与共价健相比，氢键强度很弱，虽然我们希望，也认为应该能看见，但没有想到的是，在扫描出的图像中，氢键的清晰度和共价键几乎相当。我们下一步的目标，是借助原子/分子操纵技术，直接测量出单个氢键的强度，然后再对DNA、蛋白质以及水和冰，这些更为复杂的体系中氢键的形貌进行相关的研究”。 作为扫描探针系列显微镜的一种，原子力显微镜测量的是探针顶端原子和样品原子间的相互作用力——即当两个原子离得很近，电子云发生重叠时，产生的泡利（Pauli）排斥力。非接触原子力显微镜，顾名思义，就是探针不直接与样品接触：研究人员使振动的探针靠近样品，当靠近到一定距离时，针尖原子与样品原子的泡利排斥力，将使探针的振动频率发生偏移，通过检测探针的振动频率，就可以反映出针尖原子与样品原子的相互作用力。样品中电子云密度越大的地方，相互作用力就越大，在扫描得到的图像中信号就越强，也就更清晰。 虽然原子力显微镜的原理并不难懂，但其精度的提高却让科学家绞尽脑汁，因为这种测量不仅需要原子力传感器自身极为精密，还要尽可能地减小来自实验室或周边环境的震动，稍有不慎，图像就会模糊或者扭曲。 此次成像用到的非接触原子力显微镜，是研究团队花了2年多时间，将一台原有扫描探针显微镜进行升级、改造后得到的。研究团队不仅将机械噪音降低了3～5倍，进一步降低了电子学噪音，还利用自己的一项专利技术，制作了性能优良的原子力传感器，使探针的振动幅度降低到一个埃（10-10米，小于化学键键长）的程度，极大地提高了现有设备的稳定性和信噪比。 “一张图片胜过千言万语”。氢键的实空间成像，为科学家打开了各种可能——搞清楚氢键的成像机制，可以帮助我们理解氢键的本质，进而为控制氢键，改变化学反应和分子聚集体的结构奠定基础。 在此基础上，如果我们可以影响或控制水、DNA和蛋白质的结构，就有可能改变整个生命体和我们生存的环境。 非接触原子力显微镜这项技术，目前只能应用在超低温和高真空环境下，国家纳米科学中心的研究人员希望，用几年甚至10多年的时间，将这项技术推广到在自然环境下应用，成为各行业科学家日常研究的手段。 也许有一天，流体动力学家可以通过非接触原子力显微镜，直接观察气泡表面的微观活动，化学家合成新分子时，可以不必再费力地分离、提纯、检测，只须将样品放在探针“镜头”下，就能直接看到分子的结构。
