自從提出原子是世界的基本組成部分以來，科學(xué)家就一直試圖了解它們?nèi)绾我约盀槭裁幢舜?span id="08e4mqe" class="wpcom_tag_link">結(jié)合。不管是一個(gè)分子（是一組以特定方式連接在一起的原子），還是一塊材料或整個(gè)生物，最終，一切都由原子間成鍵和斷鍵的方式控制。
挑戰(zhàn)在于化學(xué)鍵的長度在0.1-0.3nm之間，是人頭發(fā)的寬度一百萬分之一，這使得直接成像一對(duì)原子之間的鍵變得困難。先進(jìn)的顯微鏡（例如原子力顯微鏡（AFM）或掃描隧道顯微鏡（STM））可以解析原子位置并直接測量鍵長，但是實(shí)時(shí)連續(xù)拍攝化學(xué)鍵斷裂和形成，是科學(xué)界的最大挑戰(zhàn)之一。
英國和德國的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)迎來了這一挑戰(zhàn)，由烏爾姆大學(xué)材料科學(xué)電子顯微鏡（Electron Microscopy of Materials Science in the University of Ulm）負(fù)責(zé)人烏特·凱澤（Ute Kaiser）教授和諾丁漢大學(xué)化學(xué)學(xué)院（School of Chemistry at the University of Nottingham）的安德烈·赫洛比斯托夫（Andrei Khlobystov）教授領(lǐng)導(dǎo)的小組在《科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表了“在原子尺度上無支持的Re2金屬-金屬鍵的成像”，這是美國科學(xué)發(fā)展協(xié)會(huì)的期刊，涵蓋了科學(xué)工作的所有方面。Re2：是兩個(gè)錸原子組成的分子。
納米試管中的原子
這組研究人員以其在透射電子顯微鏡（TEM）方面的開創(chuàng)性應(yīng)用而著稱，該技術(shù)可在單分子水平上記錄化學(xué)反應(yīng)的“運(yùn)動(dòng)”影像，并且能夠拍攝利用碳納米管作為納米催化劑，微小金屬原子團(tuán)的運(yùn)動(dòng)。碳納米管-只有一個(gè)原子厚度的空心圓柱體，直徑在分子規(guī)模，只有1-2納米。在這里碳納米管作為原子的微型試管。
安德烈·赫洛比斯托夫教授說：“納米管可以幫助我們捕獲原子或分子，并將它們精確定位在我們想要的位置。在這種情況下，我們捕獲了一對(duì)鍵合在一起的錸原子形成錸2。因?yàn)殄n具有高原子量，在TEM中比輕元素更容易看到，這使我們能夠?qū)⒚總€(gè)金屬原子識(shí)別為一個(gè)黑點(diǎn)?！?/p>
烏特·凱澤教授補(bǔ)充說：“當(dāng)我們通過最先進(jìn)的彩色和球差校正SALVE TEM對(duì)這些雙原子分子進(jìn)行成像時(shí)，我們觀察到了吸附在納米管石墨晶格上的錸2的原子尺度運(yùn)動(dòng)，并發(fā)現(xiàn)了鍵長在一系列離散步驟中改變”。
電子束的雙重用途
該小組擁有將電子束用作雙重用途的豐富記錄：精確的原子位置成像以及由于能量從電子束的快速電子轉(zhuǎn)移到原子而引起的化學(xué)反應(yīng)。
TEM的“二合一”技巧使這些研究人員能夠記錄過去發(fā)生反應(yīng)的分子的影片，現(xiàn)在，他們能夠連續(xù)拍攝由化學(xué)鍵形成的錸2沿著納米管“行走”的鏡頭。
烏爾姆大學(xué)研究助理Kecheng Cao博士發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象并進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)，他說：“令人驚訝的是，清楚的記錄了兩個(gè)原子如何成對(duì)運(yùn)動(dòng)，清楚地表明了它們之間的鍵。重要的是，當(dāng)錸2沿著納米管向下移動(dòng)時(shí)，鍵長會(huì)改變。
打破化學(xué)鍵
一段時(shí)間后，錸2的原子表現(xiàn)出振動(dòng)，將本來的圓形變形為橢圓形并拉伸了鍵。當(dāng)鍵長達(dá)到超過原子半徑之和時(shí)，鍵會(huì)斷裂并且振動(dòng)停止，這表明原子變得彼此獨(dú)立。不久之后，原子又重新結(jié)合在一起，重新形成了錸2分子。
諾丁漢大學(xué)的博士后研究助理史蒂芬·斯科龍（Stephen Skowron）博士進(jìn)行了錸2鍵的計(jì)算，他說：“金屬原子之間的鍵在化學(xué)中非常重要，特別是對(duì)于了解材料的磁性、電子或催化特性。具有挑戰(zhàn)性的是過渡金屬（例如錸）可以形成從單鍵到五鍵的不同數(shù)量的鍵。在此TEM實(shí)驗(yàn)中，我們觀察到兩個(gè)錸原子主要通過四鍵鍵合，這為過渡金屬化學(xué)提供了新的基礎(chǔ)知識(shí)?！?/p>
電子顯微鏡作為化學(xué)家的新分析工具
安德烈·赫洛比斯托夫說：“據(jù)我們所知，這是第一次在原子尺度上拍攝鍵的變化、斷裂和形成。電子顯微鏡已經(jīng)成為確定分子結(jié)構(gòu)的分析工具，尤其是隨著分子結(jié)構(gòu)的發(fā)展。該技術(shù)獲得了2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的認(rèn)可。我們現(xiàn)在正在推動(dòng)分子成像的前沿領(lǐng)域，超越簡單的結(jié)構(gòu)分析，并實(shí)時(shí)了解單個(gè)分子的動(dòng)力學(xué)?！?研究小組認(rèn)為，將來有一天電子顯微鏡可能會(huì)成為研究化學(xué)反應(yīng)的通用方法，類似于化學(xué)實(shí)驗(yàn)室廣泛使用的光譜方法。
