För första gången, forskare har lyckats studera styrkan hos vätebindningar i en enda molekyl med hjälp av ett atomkraftmikroskop. Forskare från universitetet i Basels nätverk för schweiziska nanovetenskapliga institut har rapporterat resultaten i tidskriften Vetenskapliga framsteg .

Väte är det vanligaste grundämnet i universum och är en integrerad del av nästan alla organiska föreningar. Molekyler och sektioner av makromolekyler är kopplade till varandra via väteatomer, en interaktion som kallas vätebindning. Dessa interaktioner spelar en viktig roll i naturen, eftersom de är ansvariga för specifika egenskaper hos proteiner eller nukleinsyror och, till exempel, se också till att vattnet har hög koktemperatur.

Hittills, det har inte varit möjligt att genomföra en spektroskopisk eller elektronmikroskopisk analys av väte och vätebindningarna i enstaka molekyler, och undersökningar med atomkraftsmikroskopi har inte heller gett några tydliga resultat.

Dr Shigeki Kawai, från professor Ernst Meyers team vid Swiss Nanoscience Institute och Institutionen för fysik vid University of Basel, har nu lyckats använda ett högupplöst atomkraftsmikroskop för att studera väteatomer i enskilda cykliska kolväteföreningar.

Att välja rätt molekyler för en klar bild

I nära samarbete med kollegor från Japan, forskarna valde ut föreningar vars konfiguration liknar en propellers. Dessa propellaner ordnar sig på en yta på ett sådant sätt att två väteatomer alltid pekar uppåt. Om spetsen på atomkraftmikroskopet, som är funktionaliserad med kolmonoxid, är tillräckligt nära dessa väteatomer, vätebindningar bildas som sedan kan undersökas.

Vätebindningar är mycket svagare än kemiska bindningar, men starkare än intermolekylära van der Waals-interaktioner. De uppmätta krafterna och avstånden mellan syreatomerna i spetsen av atomkraftmikroskopet och propellanens väteatomer motsvarar mycket väl de beräkningar som gjorts av prof. Adam S. Foster från Aalto-universitetet i Finland. De visar att interaktionen tydligt involverar vätebindningar. Mätningarna gör att de mycket svagare van der Waals-krafterna och de starkare jonbindningarna kan uteslutas.

Med denna studie, forskarna från universitetet i Basels nätverk för schweiziska nanovetenskapsinstitutet har öppnat nya sätt att identifiera tredimensionella molekyler som nukleinsyror eller polymerer via observation av väteatomer.