透过实验室的玻璃窗，我们可以看到三个穿着蓝色实验服的年轻人在显微镜下聚精会神地操作着一套微型工具。“这位老师是我们中心的助理研究员。他是电子设备的大师，正带领两名博士生研究一种能够进行精确测量的微机械设备。”国家纳米科学中心研究员邱晓辉向《科技日报》记者介绍。
如果一个工人想做好事，他必须先磨快他的工具。邱晓辉认为，“为了在基础研究中不断有原创性的创新，我们不仅要停留在发表论文的状态，还要不断攻克核心技术，开发先进的仪器设备，以探索别人做不到的前沿问题。”
第一次搅动科学界，直接“看见”氢键
为什么常温下水是液态的？为什么冰会浮在水上？“这就是氢键的全部魔力。水分子中的两个氢原子和一个氧原子通过共价键连接，而水分子通过一个非常弱的作用(氢键)连接。”邱晓辉说道。
氢键是自然界中最重要和广泛存在的分子键相互作用形式之一，它对物质和生命有着至关重要的影响。许多药物通过与生命中生物大分子的氢键相互作用也是有效的。
自从1936年诺贝尔奖获得者波林在他的书《化学键的本质》中首次提出“氢键”的概念以来，科学界就一直在争论:氢键仅仅是分子间微弱的静电相互作用，还是存在电子云共享？科学家们一直试图回答什么是氢键的问题，主要是通过x光衍射、拉曼光谱、中子衍射和其他技术。这些研究方法得到的数据可以从不同的方面反映氢键的性质。然而，氢键的真正出现仍然是一个未解之谜，因此有些人甚至怀疑它是否存在。
邱晓辉带领研究小组研制了一种“锐利武器”——极其灵敏的原子力传感器，在这个问题的研究上取得了突破，正如天文望远镜可以捕捉宇宙深处星际空间的图像和星际空间之间的引力一样，使原子力显微镜成为探索微观世界的照相机，能够“描绘”原子、分子和化学键。
一般来说，“这个研究结果相当于一行人以前可以从太空看到地面。现在这是第一次看到它。原来这些人手牵着手。”邱晓辉引用国家纳米科学中心前主任刘明华的话说。
2013年底，《科学》杂志公布了邱晓辉团队对分子间氢键的直接观察结果。《自然》杂志也将分子间氢键的图像评论为今年三个最令人震惊的图像之一。
不断创新和开发关键仪器的核心组件
“当我在白春丽院长的指导下进行博士论文研究时，我知道分子可以自发地排列成规则的结构，但我从未在分子中看到这种神奇的效果。”邱晓辉说道。
中国从德国购买的原子力显微镜耗资数百万美元，是一种用于研究纳米世界的高精度仪器，但它始终看不到氢键。
因此，邱晓辉带领团队对进口设备的微力传感器进行了技术改进，从设计和技术方面优化了核心部件——皮牛力传感器的性能，提高了测量仪器电子信号的信噪比，最终获得了远高于标准商用仪器的测量精度。
高性能传感器是整个显微镜设备的“眼睛”。邱晓辉的研究生创造性地改进了制造工艺，将原子尖锐钨探针与谐振频率稳定的应时音叉结合起来。
经过不懈的努力，邱晓辉与国家纳米科学中心研究员程志海和中国人民大学教授维基的团队密切合作。在超高真空和低温条件下，用原子力显微镜观察铜单晶表面吸附和组装的8-羟基喹啉分子，获得分子化学骨架结构I的原子级分辨率
邱晓辉团队获得的氢键图像是世界上第一次在真实空间中直接观察到分子间的氢键相互作用，为近一个世纪来化学领域关于“氢键本质”的争论提供了新的实验证据。科学界评论说，这是“一个开创性的发现，一个真正令人惊奇的实验测量”和“一项杰出而令人激动的工作”。
”事实上，分子越大，它们之间的力就越大，就像恒星之间的力一样。为了理解世界是如何构成的，我们需要理解这些微小粒子之间的作用力。现在我们可以进行纳米尺度的测量，检测到的最弱的力相当于太阳照射在手指甲盖上时力的十分之一。”邱晓辉说道。
“看见”只是第一步，氢键的研究还有很长的路要走。
邱晓辉说，不仅氢键，未来的研究还将扩展到其他重要的化学键，如共价键、离子键，以及在原子和分子尺度上进一步测量不同化学键的强度。这样，我们就能了解材料组成的原因，分子在化学反应中是如何变化的，了解材料的特性，并逐步绘制出材料基因图来指导新材料的设计，如积木，从而根据需要制造新材料。
科学研究还有很长的路要走，但只有怀着坚定的信念，才能实现你的最终目标。正如邱晓辉所说，“如果发现一个有意义的科学问题，你应该安定下来，认真努力解决它。”
