Одной из главных задач, которые решают химики, является установление строения химических соединений, поэтому любая технология, позволяющая получить большую информацию о мире молекул и химических связей, оказывает значительное влияние на химию и химиков.

Очередная успешная попытка разглядеть невидимое была предпринята исследователями из Китая – они сообщают о первом примере визуаизации водородных связей с помощью атомно-силового микроскопа.

В июне на нашей ленте уже было сообщение о том, что Феликс Фишер с коллегами использовали атомно-силовую микроскопию для визуализации молекул до и после химической реакции – изображения, полученные с помощью АСМ демонстрировали образование ковалентных связей в ходе процесса циклизации.

Новое исследование, выполненное Сяохуэем Цю (Xiaohui Qiu) и его коллегами из Национального центра нанонауки и технологии Китая можно считать следующим шагом в использовании АСМ для визуализации молекулярных структур – исследователи использовали такой же бесконтактный атомно-силовой микроскоп, как и группа Фишера, но уже для слежения не за ковалентными, а гораздо более слабыми – водородными взаимодействиями.

Атомно-силовой микроскоп может быть использован для изучения материалов двумя способами. В контактном АСМ зонд микроскопа из кремния или нитрида кремния протягивается по исследуемой поверхности. Деформация зонда, вызванная его отталкиванием от поверхности, позволяет получить картинку изучаемой поверхности. При бесконтактной АСМ кантилевер, содержащий зонд, испытывает вынужденные резонансные колебания непосредственно над изучаемой поверхности, а взаимодействия Ван-дер-Ваальса понижают резонансную частоту колебаний кантеливера, и изменение частоты колебаний может быть обработано, чтобы дать возможность определить строение поверхности с атомным разрешением.

Водородные связи играют одну из ключевых ролей в самоорганизации биологически активных соединений – водородные связи обеспечивают вторичную структуру белковых цепей и связывание двух нитей ДНК; в основе многих ферментативных реакций лежит способность активного центра энзима распознавать субстрат за счет водородных связей.

Цю подчеркивает, что, несмотря на широкое распространение водородных связей, природа водородной связи до настоящего времени является предметом дискуссий. По его словам, водородную связь длительное время описывали за счет электростатического взаимодействия, однако недавно на основе результатов экспериментов с применением метода рентгеновской дифракции было высказано предположение, что водородной связи могут быть присущи некоторые черты ковалентной химической связи. Для изучения Цю выбрал молекулы 8-гидрохинолина, обосновав это тем, что эта молекула имеет плоское строение, однако водородная связь, которую она образует, должна выходить из плоскости этой структуры, что должно было упростить ее обнаружение, хотя китайский исследователь и сомневался – удастся ли этот эксперимент; сомнение было вызвано низкой плотностью электронов, локализованных на этих слабых водородных связях.

Многие годы метод сканирующей туннельной микроскопии [scanning tunnelling microscopy (STM)], появившийся ранее метода АСМ, отличался более высокой точностью. В 2011 исследователи скомбинировали АСМ с расчетным методом функционала плотности (DFT), чтобы показать гексамеры молекул метанола, адсорбированных на поверхности золота, образующиеся за счет водородного связывания, однако этот эксперимент позволил достичь относительно невысокого разрешения. В 2009 Лео Гросс (Leo Gross) из IBM модифицировал метод АСМ, предложив закреплять на зонде микроскопа молекулы моноксида углерода, что позволило значительно увеличить разрешение изображений, получаемых с помощью АСМ. Именно это методика и была использована в новом исследовании.

Результаты, полученные группой Цю, пока только подтверждают, что АСМ может применяться для изучения природы водородных связей, не позволяя ответить на вопрос природы их генезиса. Как отмечает Цю, пока факт непосредственного наблюдения водородных связей просто согласуется со знакомым каждому химику материалу из учебника – водородная связь X–H•••Y образуется, если атомы X и Y обладают значительной электроотрицательностью. Для более глубокого понимания природы водородной связи необходимо еще в большей степени повысить разрешение метода.