中文摘要：

氢键是分子自组装过程中最重要的非共价作用方式，对其物理化学特性的研究将为设计与调控分子自组装结构及其功能提供重要的理论依据。由于分子在表面吸附时存在构型变化且与基底电子态发生杂化，表面吸附分子间的氢键作用与晶体材料有显著差异。然而，目前对这一问题的实验研究方法非常有限且存在极大的技术挑战。本研究工作希望探索利用超高真空、低温扫描探针显微镜的qPlus-AFM工作模式对分子间氢键的构型和成键特征进行高分辨空间成像和解析；利用原子/分子操纵和力谱测量技术直接探测分子间氢键的作用强度和方向性，测量分子与基底间的相互作用以及在表面的扩散势垒；结合理论计算研究不同化学修饰（单原子/分子）qPlus针尖对分子氢键成像分辨率的影响，阐释化学修饰针尖对分子的原子结构成像的机制。

结论摘要：

本课题的研究目标是发展非接触式原子力显微镜技术（qPlus-AFM），并利用该技术对分子间氢键的构型和成键特征及本质进行研究。我们通过对一台商品化差高真空低温扫描探针显微镜设备的电子控制系统、减震系统的优化完善，并自制了高性能的qPlus型力传感器，极大地提高了仪器系统的稳定性和信噪比。利用该系统我们研究了8-羟基喹啉分子在Cu（111）表面的吸附组装，在实空间观测到分子间的氢键和配位键的相互作用，实现了对分子间氢键作用的直接成像，据此精确解析了多种组装形式下分子间氢键的构型，实现了对键角和键长的直接测量。该项成果发表在Science杂志上，得到学术期刊和新闻媒体的广泛报道。国际纯粹与应用化学联合会的氢键推荐定义负责人E. Arunan博士特别撰文论述了此项工作，认为其将深化对氢键本质的认识，具有极其重要的科学意义和应用价值。该结果入选《自然》杂志评选的2013年度图片，被认为是该年度国际科学界最震撼的三张图片之一。该研究工作的意义在于发展了qPlus非接触原子力显微镜技术对非共价键的实验研究途径，为在分子尺度探索复杂分子间作用、分子组装以及化学识别开辟了一条新思路，可以获得包括分子构型、分子官能团及作用位点等丰富的分子结构和性质信息。本研究项目进一步研究了碱基分子鸟嘌呤（Guanine）的质子异构化现象，利用qPlus原子力显微技术获得的高分辨分子结构和分子间氢键的图像为原位识别分子的多种质子异构体提供了关键数据。该实验工作不仅表明氢键对分子异构化过程具有调控作用，并且进一步揭示了原子力显微镜对氢键的成像机制。目前正在研究的其它体系还包括水分子团簇和分子间卤键等。