Ученые впервые сфотографировали водородную связь

В журнале «Journal of the American Chemical Society» опубликована работа ученых, которым впервые удалось сфотографировать водородные связи. Отметим, что это – достаточно слабый тип связей, который, тем не менее, определяет физико-химические свойства многих веществ

В журнале «Journal of the American Chemical Society» опубликована работа ученых, которым впервые удалось сфотографировать водородные связи. Отметим, что это – достаточно слабый тип связей, который, тем не менее, определяет физико-химические свойства многих веществ. 

Изначально ученые занимались изучением сложной органической молекулы PTCDA (перилен-3,4,9,10-тетракарбон-3,4,9,10-диангидрид) при помощи метода сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), который позволяет определять «рельеф» изучаемых объектов за счет т. н. туннельного эффекта. Этим термином называют способность электрона преодолевать энергетический потенциальный барьер между двумя областями пространства (туннелирование – явление квантовой природы, невозможное в классической механике). 

При проведении СТМ над изучаемым объектом на высоте нескольких ангстрем скользит игла микроскопа, на которую подается ток. При этом происходит туннелирование электронов, причем их количество зависит от расстояния от иглы до объекта. В своих предыдущих работах авторы выяснили, что разрешение итоговых изображений повышается, если между иглой и исследуемой поверхностью поместить охлажденный водород. 

В ходе нового исследования ученые выяснили, что добавление водорода также позволяет увидеть водородные связи между молекулами PTCDA. На данный момент специалисты не могут объяснить природу наблюдаемого эффекта и собираются заняться соответствующими исследованиями в ближайшее время. 

Водородная связь является примером трехцентровой четырехэлектронной связи. Ранее ее образование обычно объясняли действием электростатических сил, не замечая того, что говорят об обычном межмолекулярном диполь-дипольном взаимодействии. Вот типичный образец такого объяснения: «Атом с большой электроотрицательностью (например, фтор) в молекуле HF смещает на себя электронное облако, приобретая значительный эффективный отрицательный заряд, а ядро атома водорода (протон) почти лишается электронного облака и приобретает эффективный положительный заряд. Между атомом водорода и отрицательно заряженным атомом фтора соседней молекулы возникает электростатическое притяжение, что и приводит к образованию водородной связи». Ошибка заключается в том, что электростатические взаимодействия не имеют направленности; следовательно, принятие электростатической природы водородной связи также исключает наличие у нее такого важного качества, как направленность. В то же время уникальная структура ферментов или двойной спирали ДНК базируется на образовании множества строго направленных водородных связей. Причем цена «ошибки» в данном случае весьма велика – неработоспособность фермента, ошибка в генетическом коде… Природа не могла бы возложить выполнение столь важных задач на химическую связь, имеющую электростатическую природу.