本月，世界顶级科学家商会（WLA）首次面向全球发布年度报告。这份主题为《希望之光，疫情下的科学突破》的报告，汇集15位诺贝尔奖得主在内的30位世界顶级科学家，以推动学科发展的前瞻性视野，深度点评过去一年的科学突破，塑造科学界风向标。
WLA年度发布图|WLA广州中心
使离子相结合或原子相结合的斥力通称为物理键，分为离子键、共价键、金属键三种。自从提出原子是世界的基本组成部份以来化学键断裂，科学家就仍然企图了解它们如何以及为何彼此结合。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。
2020年1月，科学家借助碳纳米管作为纳米催化剂，第一次在原子尺度上拍摄下物理键产生与破裂的实时动态过程，为人类全面理解物理键提供了全新视角。这一成果荣获WLA年度报告，打开了物理新世界的房门。
在碳纳米管中拍摄金属键
拍摄物理键的难点在于物理键的宽度仅为0.1-0.3纳米，仅为人类毛发长度的50万分之一，这促使捕捉两个原子之间发生键合的顿时十分困难。
来自乌尔姆学院材料科学电子显微镜和萨里学院物理大学的联合研究团队，借助透射电子显微镜（TEM），以半径为1-2纳米的碳纳米管作为原子的微型试管，成功拍摄下两个铼（Re）原子组成的铼分子（Re₂）中化学键的变化。
碳纳米管中的Re2分子图|萨里学院
萨里学院物理大学院士安德烈·赫洛比斯托夫介绍说，纳米管可以捕获原子或分子，并将它们精确定位。“在这些情况下，我们捕获了结合在一起产生Re₂的一对Re原子。因为Re的原子量较高，因而在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。”
研究团队借助先进的彩色和球差校准亚埃低压电子显微镜（SubLow，SALVETEM）对这种双原子分子进行成像时，观察到吸附在纳米管石墨晶格上的Re₂在原子尺度的运动，发觉Re₂的键短发生了一系列不规则变化。
纳米试管中的原子动图图|萨里学院
这一过程被完整地拍摄出来。视频中可以见到，两个Re原子顺着纳米管“行走”，并不断合体、分开。
“化学键的作用是无限的”
2014年诺贝尔物理奖得主威廉·莫纳（W.E.）表示，在单分子水平上让人类首次观察到了物理键产生与破裂的实时动态过程，为人类全面理解物理键提供了全新视角。
2014年诺贝尔物理奖得主威廉·莫纳图|WLF
莫纳说：“分子震动对于物理键的产生至关重要。这种震动在势能表面上成键的机制原先仅限于理论性的描述化学键断裂，但如今早已可以直接看见它们。这将帮助我们跟踪在迸发态和能级波包上发生的震动轨迹，为分子键产生期间发生的分子现象提供了前所未有的视角。”
为什么理解物理键这么重要？2001年诺贝尔物理奖得主巴里·夏普莱斯（K.Barry）觉得：“化学键的作用是无限的，它将物质联系在一起，使物质具备了新属性。我并不在乎物理结构，我在乎的是物理联系。”化学家的工作，就是要研究、破解和构建这样的联系，因而拍摄到物理键的产生与破裂才具有这么重要的意义。
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