Hrot mikroskopu atomárních sil vs organická molekula. Kredit: University of Basel, Department of Physics.

O atomech, molekulách nebo chemických vazbách se učíme od malička. Jejich přímé zkoumání je ale zároveň velice obtížné. Jednotlivé atomy, molekuly a také chemické vazby jsou stále na samotné hranici citlivosti našich přístrojů. Švýcarští vědci z Univerzity v Basileji, kteří jsou součástí výzkumné sítě Swiss Nanoscience Institute, v online časopise Science Advances oznámili, že jako první v historii změřili sílu vodíkových vazeb v jediné molekule. Použili k tomu mikroskop atomárních sil (AFM, z anglického atomic force microscopy).

Shigeki Kawai. Kredit: Science & Technology Office Tokyo.

Vodíkové vazby nebo též vodíkové můstky (anglicky hydrogen bonds) jsou slabé vazebné interakce mezi molekulami nebo částmi molekuly. Jsou významně slabší nežli iontové nebo kovalentní vazby, ale zároveň jsou silnější, než většina zbývajících mezimolekulárních sil (např. van der Waalsovy síly). Vodíkový můstek vzniká mezi vodíkem a silně elektronegativním prvkem (např. kyslíkem nebo dusíkem) na jedné straně – a atomem s volným elektronovým párem (např. opět kyslíkem či dusíkem anebo fluorem). Vodíkové vazby jsou k vidění u molekul vody, různých organických sloučenin nebo například nukleových kyselin.

Vodík je nejběžnějším prvkem ve vesmíru a i vodíkové můstky bývají velmi běžné. Hrají významnou roli v neživé i živé přírodě. Právě vodíkové můstky zodpovídají za relativně vysoký bod varu vody nebo třeba za specifické vlastnosti řetězců mnoha proteinů a nukleových kyselin.

Vodíkové vazby mezi molekulami vody (černé přerušované čáry). Kredit: volně dostupné / Wikimedia Commons.

Shigeki Kawai a jeho spolupracovníci si připsali zásadní úspěch. Doposud nebylo možné analyzovat vodík nebo vodíkové můstky v jednotlivých molekulách spektroskopicky nebo elektronovou mikroskopií. Výzkum s použitím mikroskopie atomárních sil zase nepřinesl žádné přesvědčivé výsledky.

University of Basel.

Zvládl to až nyní Kawaiův tým, který použil mikroskop atomárních sil s vysokým rozlišením k prostudování atomů vodíků a vodíkových můstků v jednotlivých molekulách cyklických organických sloučenin.

Měření atomů vodíku probíhalo tak, že vědci k dotyčným molekulám přibližovali velmi ostrý pozorovací hrot mikroskopu atomárních sil, k němuž byly navázán oxid uhelnatý. Když se tento hrot dostal dostatečně blízko ke zkoumaným atomům vodíku, tak mezi hrotem a atomy vznikly vodíkové můstky a mohly být změřeny. Tato měření potvrdila, že šlo skutečně o vodíkové můstky, tedy vazby mnohem silnější než van der Waalsovy síly a zároveň slabší než iontové vazby. Tento postup detekce vodíkových atomů a vodíkových můstků bude podle badatelů možné využít k lepší identifikaci výrazně trojrozměrně uspořádaných molekul, jako jsou nukleové kyseliny nebo polymery.

Video:  Hydrogen bonding in water. Khan Academy.


Literatura
University of Basel 12. 5. 2017, Science Advances 3: e1603258.