Ученые впервые изучили водородные связи под микроскопом

Схематическое изображение водородных связей. Изображение: M stone / commons.wikimedia.org
Схематическое изображение водородных связей. Изображение: M stone / commons.wikimedia.org

Японские и швейцарские ученые использовали новую технологию, позволившую им непосредственно рассмотреть и изучить водородные связи.

Водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной. Он составляет около 70% (или даже более) массы Солнца и всех звезд, а из каждых 100 атомов, встречающихся во Вселенной, 90 — атомы водорода. На Земле водород также имеет большое значение. Около 1% водорода входит в состав земной коры, а в составе различных соединений он встречается почти повсеместно (в полезных ископаемых, в воде, в живых организмах). Поэтому неудивительно, что ученые проявляют большой интерес к этому элементу.

В новой работе химикам из Японии и Швейцарии впервые удалось подробно изучить водородные связи в молекуле с помощью атомно-силового микроскопа. Водородные связи широко распространены в природе и играют большую роль в молекулярных соединениях. Так, к примеру, они определяют специфическую структуру и свойства белков и нуклеиновых кислот: элементы вторичной и третичной структуры в молекулах РНК, ДНК и белков стабилизируются именно водородными связями. Ранее ученым уже удавалось исследовать молекулярную структуру твердых компонентов нефти с помощью атомно-силового микроскопа. Теперь посредством этого же метода были изучены связи водорода.

Для этого ученые использовали атомный силовой микроскоп высокого разрешения. Специально, для облегчения исследования, были выбраны соединения, конфигурация которых напоминает пропеллер: объемные молекулы тринапто[3.3.3]пропеллана (TNP) и трифлуорантено[3.3.3]пропеллана (TFAP). TNP и TFAP располагаются на поверхности так, что два атома водорода всегда направлены вверх. На конце атомно-силового микроскопа ученые поместили монооксид углерода, который, при приближении к атомам водорода достаточно близко, образует водородные связи. Их затем можно исследовать с помощью лазера, который преобразует в изображение колебания от взаимодействия химических элементов.

Как и предполагали ученые, водородные связи оказались значительно слабее химических (ионных) связей, но сильнее, чем межмолекулярные ван-дер-ваальсовы взаимодействия. Сила этих связей, по полученным данным, составила около 40 пиконьютонов. А зафиксированное расстояние между атомами оказалось величиной в 300 пикометров. По словам ученых, прямое измерение взаимодействия с атомами водорода открывает путь для идентификации трехмерных молекул, таких как ДНК и полимеры, и новые перспективы для использования атомно-силовой микроскопии в изучении химических соединений.

Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Ранее ученые впервые записали информацию на один атом с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Теги:

Читать еще на Чердаке: