美国化学家Pauling[25]是最早提出氢键理论的科学家之一，他认为在特定环境下，氢键是氢原子与另一个原子之间存在的相对较强的吸引力，而这种力并不是以实际化学键的形式存在。氢键是由极性很强的X- H键上的氢原子与另一个（可存在于同一种分子或另一种分子中）电负性很强、原子半径较小的原子（如F、N、O等）的孤对电子之间相互吸引而成的一种键，常用X-H…Y表示。X-H称为质子供体（proton donor），Y称为质子受体（proton acceptor）。
能够形成氢键的物质非常广泛，如水、醇、胺、有机酸、无机酸、水合物、氨合物等在同生命现象密切相关的蛋白质和核酸的结构中也存在氢键。氢键能存在于晶态、液态甚至气态物质之中。氢键的存在形式多样，最广泛存在于含有氢原子丰富的液体中，例如水中[26-27]，而水是生命体系的重要介质。
在很多有机化合物的晶格中，氢键则是构建晶格的决定性要素，在晶体学中，要构建一个新的晶型，一个重要因素就是如何调控氢键的存在方式[28]。在超分子纳米纤维材料中，溶液中胶束状聚集体可以通过氢键把具有光电响应功能的基团引入自组织，形成具有光电响应功能的纳米晶材料等。另外，氢键也可以以结晶水的形式存在于一些纳米晶材料表面，以控制纳米材料的量级以及改善纳米材料的光降解速率等[29-30]，如图1.1。
图1.1 极性溶剂中由萘酰亚胺和互补的二烷基三聚氰胺形成的氢键调节的复合物诱导形成的三维介观尺寸的管状纳米结构图 (www.xing528.com)
自20世纪初发现氢键以来，人们对其进行了很广泛地研究，不断发现新形式的氢键，从最初的正常经典强氢键O- H…O 到非经典C- H…O、N- H…O氢键，再到π型氢键、双氢键、蓝移型氢键以及新近的单电子氢键过渡金属原子直接参与的M- H…O、O- H…M、N- H…M氢键，对氢键的认识与理解也在很大程度上得到丰富和完善。
近年来，越来越多科学家尝试观测到氢键的存在构型，其中裘晓辉课题组[31]在这方面取得了较大进展，如图1.2。他们利用非接触原子力显微镜观测到真实空间下8-羟基喹啉分子氢键的存在形式，精确解析了分子间氢键的构型，实现了对氢键键角和键长的直接测量，从而为分子间氢键的研究开辟了一条新路径。
图1.2 裘晓辉课题组报道的8-羟基喹啉真实空间下的氢键
氢键之间相互作用的本身是有方向的、存在弱的相互吸引力，在一定程度上影响了分子或离子结构，从而使氢键在生物、化学等领域占有举足轻重的地位，并广泛应用于分子识别和分子组装等方面。其在物质的光物理、光化学、光生物等领域有至关重要的地位 [32-36]。
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