自从提出原子是世界的基本组成部份以来，研究人员就仍然在努力弄清楚原子之间是怎样互相结合的。挑战在于物理键的宽度仅为0.1-0.3nm，比人类毛发长度还要小50万倍，这促使捕捉两个原子之间发生键合的顿时十分困难。例如扫描隧洞显微镜（STM）或原子力显微镜（AFM）之类的复杂显微镜技术似乎可以解析原子的位置并直接量化物理键的厚度。但是，对具有时空连续性的物理键的实时破裂或产生进行成像一直是科学的最大挑战之一。
碳纳米管中的Re2分子图象：萨里学院
日前，美国和加拿大的一组研究人员解决了这一困局，由乌尔姆学院院长兼材料科学电子显微学系负责人Ute以及格拉斯哥学院物理大学（ofattheof）的院长领导的科研团队在《》上发表了题为“anmetal-metalbondinatthescale“（译：在原子尺度上无支持的Re2金属-金属键的成像）的文章。
纳米试管中的原子
该研究团队在透射电子显微镜（TEM）方面早已取得了许多突破性成果，该技术可在单分子水平上记录物理反应的“影像”并且还能借助碳纳米管作为纳米催化剂化学键断裂，拍摄微小金属原子团的运动。碳纳米管为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，在这儿作为原子的微型试管。
通过从Re2(CO)10去除CO官能团来制备Re2
院长说，“纳米管可以帮助我们捕获原子或分子，并将它们精确地定位在我们想要的位置。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。因为铼的原子序数较高，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。”
Ute院长说”当我们通过先进的彩色和球差校准亚埃低压电子显微镜（SALVETEM）对这种双原子分子进行成像时，我们观察到吸附在纳米管石墨晶格上的Re2的原子尺度运动，并发觉Re2的键短发生了一系列不规则变化”。
视频来源：[都柏林学院]。由两个Re原子（黑点）组成的分子绕开两个碳纳米管（亮点的点阵），步入纳米管之间的间隙。当原子分开更大的距离时，原子之间的键被破坏，之后进行重组。
纳米试管中的原子动图电子束的双重用途
研究人员借助电子束作为双重用途的工具，可以确切地拍摄原子的位置并激活因为能量从快速联通的电子束向原子转移而造成的物理反应。借助TEM技术的“二合一”技巧，科学家们就能为发生反应的分子录象。目前，该团队早已拍摄了Re2顺着纳米管“行走”的连续视频。
萨里学院的博士后研究助理博士表示，“令人吃惊的是，两个原子的成对运动清楚地表明了它们之间的键。重要的是，当Re2顺着纳米管向上联通时，键长会发生变化，这表明键会依照原子周围的环境变强或变弱。
打破禁锢
一段时间后，Re2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Re2分子。
Re2运动的时间序列
执行了Re2键合的估算，他说：“金属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。过渡金属，比如Re，可以产生从单键到五键的不同次序的键，在此TEM实验中，我们观察到两个Re原子主要通过四键结合，为过渡金属物理提供了新的基本看法。”
电子显微镜作为物理家的新剖析工具
院长说：“据我们所知，这是第一次在原子尺度中将键的演变化学键断裂，破裂和产生进行拍摄。随着高温TEM的发展，电子显微镜已然成为确定分子结构的剖析工具，该技术获得了2017年诺贝尔物理奖。继续说道：“我们如今正在将前沿分子成像推向简单的结构剖析之外，并朝着实时了解单个分子的动力学方向发展。”
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研究人员觉得，在未来的日子里，电子显微镜可能会成为探求物理反应的通用技术，类似于物理领域中广泛使用的波谱技术。
参考资料：
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