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自从提出原子是世界的基本组成部份以来，科学家就仍然企图了解它们如何以及为何彼此结合。不管是一个分子（是一组以特定形式联接在一起的原子），还是一块材料或整个生物，最终，一切都由原子间成键和断键的方法控制。
挑战在于物理键的厚度在0.1-0.3nm之间，是人头发的长度一百万分之一，这促使直接成像一对原子之间的键显得困难。先进的显微镜（比如原子力显微镜（AFM）或扫描隧洞显微镜（STM））可以解析原子位置并直接检测键长，而且实时连续拍摄物理键破裂和产生，是科学界的最大挑战之一。
美国和英国的研究团队早已迎来了这一挑战，由乌尔姆学院材料科学电子显微镜（ofintheofUlm）负责人乌特·凯泽（Ute）院长和萨里学院物理大学（ofattheof）的安德烈·赫洛比斯托夫（）院士领导的小组在《科学进展》上发表了“在原子尺度上无支持的Re2金属-金属键的成像”，这是日本科学发展商会的刊物，囊括了科学工作的所有方面。Re2：是两个铼原子组成的分子。
纳米试管中的原子
这组研究人员以其在透射电子显微镜（TEM）方面的开创性应用而闻名，该技术可在单分子水平上记录物理反应的“运动”影像，而且还能拍摄借助碳纳米管作为纳米催化剂，微小金属原子团的运动。碳纳米管-只有一个原子长度的空心圆锥体，半径在分子规模，只有1-2纳米。在这儿碳纳米管作为原子的微型试管。
安德烈·赫洛比斯托夫院长说：“纳米管可以帮助我们捕获原子或分子，并将它们精确定位在我们想要的位置。在这些情况下，我们捕获了一对键合在一起的铼原子产生铼2。由于铼具有高原子量，在TEM中比轻元素更容易听到，这使我们能否将每位金属原子辨识为一个黑点。”
乌特·凯泽院长补充说：“当我们通过最先进的彩色和球差校准SALVETEM对这种双原子分子进行成像时，我们观察到了吸附在纳米管石墨晶格上的铼2的原子尺度运动，并发觉了键长在一系列离散步骤中改变”。
两个较大的黑点。物理键断键的顿时，这个物理键只有人的毛发长度的50万分之一。图象：伯明翰学院
电子束的双重用途
该小组拥有将电子束用作双重用途的丰富记录：精确的原子位置成像以及因为能量从电子束的快速电子转移到原子而造成的物理反应。TEM的“二合一”技巧使那些研究人员才能记录过去发生反应的分子的电影，如今，她们能否连续拍摄由物理键产生的铼2顺着纳米管“行走”的镜头。乌尔姆学院研究助理Cao博士发觉了这些现象并进行了成像实验，他说：“令人吃惊的是，清楚的记录了两个原子怎么成对运动，清楚地表明了它们之间的键。重要的是，当铼2顺着纳米管向上联通时化学键断裂，键长会改变。
打破物理键
一段时间后，铼2的原子表现出震动，将原本的方形变型为椭圆形并拉伸了键。当键长达到超过原子直径之和时，键会破裂而且震动停止，这表明原子显得彼此独立。不久以后，原子又重新结合在一起，重新产生了铼2分子。
萨里学院的博士后研究助理史蒂芬·斯科龙（）博士进行了铼2键的估算，他说：“金属原子之间的键在物理中十分重要，非常是对于了解材料的磁性、电子或催化特点。具有挑战性的是过渡金属（比如铼）可以产生从单键到五键的不同数目的键。在此TEM实验中，我们观察到两个铼原子主要通过四键键合，这为过渡金属物理提供了新的基础知识。”
电子显微镜作为物理家的新剖析工具
安德烈·赫洛比斯托夫说：“据我们所知化学键断裂，这是第一次在原子尺度上拍摄键的变化、断裂和产生。电子显微镜早已成为确定分子结构的剖析工具，尤其是随着分子结构的发展。该技术获得了2017年诺贝尔物理奖的认可。我们如今正在推进分子成像的前沿领域，赶超简单的结构剖析，并实时了解单个分子的动力学。”研究小组觉得，将来有三天电子显微镜可能会成为研究物理反应的通用方式，类似于物理实验室广泛使用的波谱技巧。