最炫民族风广场舞为何氢键可以被看到？

2020年12月25日发(作者：高露)
为何氢键可以被看到？

【章彦博的回答(39票)】:
那表述的是电子密度，这项成果被发表在《科学》杂志上，
（见：Real-Space Identification of Intermolecular Bonding
with Atomic Force Microscopy）。
这是原论文中的摘要：
We report a real-space visualization of the formation of
hydrogen bonding in 8-hydroxyquinoline (8-hq) molecular
assemblies on a Cu(111) substrate, using noncontact
atomic force microscopy (NC-AFM). The atomically
resolved molecular structures enable a precise
determination of the characteristics of hydrogen bonding
networks, including the bonding sites, orientations, and
lengths. The observation of bond contrast was interpreted
by ab initio density functional calculations, which indicated
the electron density contribution from the hybridized
electronic state of the hydrogen bond. Intermolecular
coordination between the dehydrogenated 8-hq and Cu
adatoms was also revealed by the submolecular resolution
AFM characterization. The direct identification of local
bonding configurations by NC-AFM would facilitate
detailed investigations of intermolecular interactions in
complex molecules with multiple active sites.
再贴一段网站（The Very First Image of a Hydrogen Bond）
上的原文：
But for the new study, the scientists took the process to the
next level by using the same technique to sniff-out weaker
interactions rather than just the covalent bonds. Working at
temperatures near absolute zero, the scientists watched as
8-hydroxyquinoline formed hydrogen-bonded aggregates,
with the electron density of the hydrogen bonds made
visible via the atomic force microscope. The researchers
also produced images of hydrogen bonds at room
temperature.
题主所给的图，是再接近绝对零度的条件下，利非接触原子
力显微技术（NC- AFM）拍摄的，其捕获的是电子的密度。
顺便，提供室温条件下拍摄的照片：

试着当一下搬运工吧，参考了维基百科上的「原子力显微镜」、
「AFM」和「nc- AFM」条目：
非接触模式
在这种模式下，悬臂上的探针并不接触样品表面，而是以比其共振频率略高的频率振动，振幅通常小于几纳米。范德华
力在探针距离表面样品1~3纳米时最强 ，它与其他在表面上
的长程力会降低悬臂的振动频率。通过调整探针与样品间的
平均距离，频率 的降低与反馈回路一起保持不变的振动频率
或振幅。测量(x,y)每个数据点上的探针与样品间的距离 即可
让扫描软件构建出样品表面的形貌。
在接触模式下扫描数次通常会伤害样品和探针，但非 接触模
式则不会，这个特点使得非接触模式通常用来测试柔软的样
品，如生物组织和有机薄膜； 而对于坚硬样品，两个模式得
到的图像几乎一样。然而，如果在坚硬样品上裹有一层薄膜
或吸附 有流体，两者的成像则差别很大。接触模式下探针会
穿过液体层从而成像其下的表面，非接触模式下则探 针只在
吸附的液体层上振动，成像信息是液体和下表面之和。
动态模式下的成像包括频率调制 和更广泛使用的振幅调制。
频率调制中，振动频率的变化提供探针和样品间距的信息。
频率可以 被非常灵敏地测量，因此频率调制使用非常坚硬的
悬臂，因其在非常靠近表面时仍然保持很稳定；因此这 种技
术是第一种在超高真空条件下获得原子级分辨率的原子力
显微镜技术。振幅调制中，悬臂振 幅和相位的变化提供了图
像的反馈信号，而且相位的变化可用来检测表面的不同材料。
振幅调 制可用在非接触模式和间歇接触领情况。在动态接触
模式中，悬臂是振动的，以至悬臂振动悬臂探针和样 品表面
的间距是调制的。振幅调制也用于非接触模式中，用来在超
高真空条件下使用非常坚硬的 悬臂和很小的振幅来得到原
子级分辨率。

现在的英文水平看文献实在是痛苦啊……T_T
NC - AFM 技术有以下几个显著的优点：
NC - AFM 技术是第一种达到原子级分辨率的原子力显微技
术；
该技术首先直接观测到了真实空间中的化 学键，下图是通过
在探针上放置CO分子拍摄到的图像：


此技术也被应用到探测单分子对间的作用力。
=======
参见：
The Very First Image of a Hydrogen Bond
ht tp:i%E5%8E%9F%E5%AD%90%
E5%8A%9B%E6%98%BE%E5%BE %AE%E9%95%9C
http:iAtomic_force_microscopy
http:iNon-contact_atomic_force_micr
oscopy
【你猜啊的回答(72票)】:
关于AFM的原理，@章彦博 给了个很好的示意图，我拉来
再用一次，提前谢过。

事实上，几乎所有的 事实上，几乎所有的 扫描探针显微镜
（不仅仅是AFM）基本架构都如此图：
与样品表面直接作用的，是探针 （Tip）探针连在弹性的悬
臂（Cantilever）上 ，探针受到吸引或排斥的力，会作用在
悬臂上，引起形变。大家脑补一个簧片就行了。扫描是通过
压电晶体（piezo, 图中的PZT scanner）来实现的。

激光（Lase r）和充当探测器的光电二极管（Photodiode）
部分，是用来放大悬臂的形变的。这个思路早 在卡文迪什實
驗 测引力常数时已经在用了。

卡文迪许扭秤
因此说白了， 扫描探针显微镜 (SPM) 表征的，是探针与样
品表面的作用力。改变探针 ，我们就可以针对不同的作用力
来作文章。比如用标准的氮化硅探针（土豪一点还可以用单
根碳 纳米管），考察范德华力，这台显微镜就是原子力显微
镜（AFM）；加上电压考察库仑力，就成了静电 力显微镜；
换成磁性探针，就成了磁力显微镜；用金属探针测量隧穿电
流，就成了扫描隧道显微 镜 （STM）……
好了现在应该清楚了，扫描探针显微镜们“看”的是各种相互
作用力，而 不是一味的放大放大放大。换一种相互作用，也
可以看到以前完全看不到的东西。比如下面两幅图（说是 Zip
disk，估计是存储部分），前面的是表面高度表征，用普通的
AFM；后面的是磁 场表征，用磁力探针，存储的信息就一目
了然啦！

AFM Gallery - NanoAndMore USA
啊？你问这颜色怎么来的？这是伪彩色，只要作用力不同，
有了對比度 ，就可以转成图像，随便加什么颜色就是信号
处理的问题了。
对了插一句，电子显微镜们（SEM， TEM，STEM）和 SPM
们不太一样，特别是 TEM， 更接近光学显微镜，不同的仅
仅是把光换成高能电子束，光学透镜换成磁透镜。分不清这两大家族的、还做材料的同学请自觉去面壁。
讲到这里，题主应该明白看氢键是怎么一回事了吧？ 所谓化
学键，说白了就是特殊排布的电子云。我们要看的，是不同
的电子密度。至于这个电子密 度到底是氢键还是共价键还是
artifact，就需要理论计算和模拟来验证了。
所谓NC-AFM（Non-contact atomic force microscopy）， 非
接触模式AFM，是区别于接触模式（作用力强，容易损伤样
品，可用来表面加工）和轻敲模 式（Tapping mode，普通成
像最常用的模式）的。我本人没有用过 NC，看维基的介绍< br>说是用于这个模式的探针悬臂很硬，稳定性好，因此可以得
到超高分辨率图像。
能够看 到分子键，技术关键在于AFM探针上修饰了一个一
氧化碳分子，这是2009年瑞士某组和荷兰某组的 一项突破，
（The Chemical Structure of a Molecule Resolved by
Atomic Force Microscopy），他们试验了银原子、 氯原子、
一氧化碳分子、戊烷分子，一氧化碳分子的效果最好，见@
章彦博 提供的图片。计算 结果也显示，用一个一氧化碳分
子修饰的探针，得到的对比度最高。而且看上去效果比STM
也 要好（Direct Imaging of Intermolecular Bonds in
Scanning Tunneling Microscopy）。此外，操作温度接近绝
对零度，应该是为了减小热漂移等，了解一下AFM 单分子
操作就知道热漂移有多坑爹：整个分子最大就几个纳米，漂
着漂着你的分子就找不到了… …
从此以后大家就各种玩，看苯环（多环芳烃和足球烯）还分
辨一下单双键（Bond- Order Discrimination by Atomic Force
Microscopy），实时监测一下反应进程（Direct Imaging of
Covalent Bond Structure in Single-Molecule Chemical
Reactions），还有这次看看氢键啥的。
追问“那为啥修饰一个 一氧化碳分子就能够看到不同密度的
电子云”的童鞋们请自行学习量子力学、分子间作用力等等后
阅读2009年那篇Science的模拟计算部分。
------------------关于如何修饰-------------------
刘博垠回复 伍晨
读过文章的表示，一氧化碳事先镀在铜底物上，然后用探针
多做几 次nanoindentation，给“捞”上来的。nanoindentation
说白了就是探 针插入底物。
As will be shown below, both problems can be solved by
preparing a well-defined tip by deliberately picking up
different atoms and molecules with the tip apex.
【刘梦夕的回答(2票)】:
哎，我认识Science文章的作者啊~~我喊他过来答题~
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呃，他说他米有知乎，让我帮他答。。。
关于为什么能看到氢键上面的俩大神同学说的很对呀~~ @
金晨羽@章彦博
就是因为氢键是特殊的共价键，能感知到电子云就可以被检
测到。
但是两位介绍的A FM都是先前的普通AFM，看你们用的那
个示意图，有一束大大的激光有木有！NC-AFM是木有激 光
的呦~因为需要在极低温检测，所以激光会产热。那怎么检
测针尖的震动镍？就是在针尖和针 尖托中间安一个石英音
叉，利用石英音叉自身的压电作用做自检测。高端不~
它的针尖是酱紫的。上面最细的那个是针尖，横着的金色的
是音叉。

具体的理论介绍可以参考：他们组的一篇中文文章的介绍。
原子分辨显微分析技术研究进展--《物理化学学报》2013年
07期
这个哥们儿的简历应该很搞笑哈哈，publication list 上一篇
science,一篇物化学报。
20150402更了个新。
命运啊。。。
我要去辣个组工作了貌似。
原文地址:知乎