自从提出原子是世界的基本组成部分以来，研究人员就一直在努力弄清楚原子之间是如何相互结合的。 挑战在于化学键的长度仅为0.1-0.3 nm，比人类头发宽度还要小50万倍，这使得捕捉两个原子之间发生键合的瞬间非常困难。 诸如扫描隧道显微镜（STM）或原子力显微镜（AFM）之类的复杂显微镜技术虽然可以解析原子的位置并直接量化化学键的长度。 然而，对具有时空连续性的化学键的实时断裂或形成进行成像仍然是科学的最大挑战之一。
碳纳米管中的Re2分子 图像：诺丁汉大学
近日，德国和英国的一组研究人员解决了这一难题，由乌尔姆大学教授兼材料科学电子显微学系负责人Ute Kaiser以及诺丁汉大学化学学院（School of Chemistry at the University of Nottingham）的Andrei Khlobystov教授领导的科研团队在《Science Advances》上发表了题为“Imaging an unsupported metal-metal bond in dirhenium molecules at the atomic scale“（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）方面已经取得了许多突破性成果，该技术可在单分子水平上记录化学反应的“影像”并且能够利用碳纳米管作为纳米催化剂，拍摄微小金属原子团的运动。碳纳米管为只有一个原子厚度的空心圆柱体，直径在分子规模，只有1-2纳米，在这里作为原子的微型试管。
通过从Re2(CO)10除去CO基团来制备Re2
Andrei Khlobystov教授说，“ 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。在这种情况下，我们捕获了结合在一起形成Re2的一对Re原子。由于铼的原子序数较高，因此在TEM中比轻元素更容易看到，这使我们能够将每个金属原子识别为一个黑点。”
Ute Kaiser教授说”当我们通过先进的彩色和球差校正亚埃低压电子显微镜（SALVE TEM）对这些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，并发现Re2的键长发生了一系列不规则变化”。
视频来源：[诺丁汉大学]。由两个Re原子（黑点）组成的分子绕过两个碳纳米管（亮点的点阵），进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，然后进行重组。
纳米试管中的原子动图 电子束的双重用途
研究人员利用电子束作为双重用途的工具，可以准确地拍摄原子的位置并激活由于能量从快速移动的电子束向原子转移而引起的化学反应。利用TEM技术的“二合一”技巧，科学家们能够为发生反应的分子录像。目前，该团队已经拍摄了Re2沿着纳米管“行走”的连续视频。
诺丁汉大学的博士后研究助理Stephen Skowron博士表示，“令人惊讶的是，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沿着纳米管向下移动时，键长会发生变化，这表明键会根据原子周围的环境变强或变弱。
打破束缚
一段时间后，Re2的原子表现出振动，将本来的圆形变形为椭圆形并拉伸了键。当键长达到超过原子半径之和时，键会断裂并且振动停止，这表明原子变得彼此独立。不久之后，原子又重新结合在一起，重新形成了Re2分子。
Re2运动的时间序列
Skowron执行了Re2键合的计算，他说：“ 金属键在化学中非常重要，特别是对于了解材料的磁性，电子或催化特性。过渡金属，例如Re，可以形成从单键到五键的不同顺序的键，在此TEM实验中，我们观察到两个Re原子主要通过四键结合，为过渡金属化学提供了新的基本见解。”
电子显微镜作为化学家的新分析工具
Andrei Khlobystov教授说：“据我们所知，这是第一次在原子尺度上将键的演化，断裂和形成进行拍摄。随着低温TEM的发展，电子显微镜已经成为确定分子结构的分析工具，该技术获得了2017年诺贝尔化学奖。Khlobystov继续说道：“ 我们现在正在将前沿分子成像推向简单的结构分析之外，并朝着实时了解单个分子的动力学方向发展。”
Image Credit: University of Nottingham
研究人员认为，在未来的日子里，电子显微镜可能会成为探索化学反应的通用技术，类似于化学领域中广泛使用的光谱技术。
参考资料：
1.https://www.azonano.com/news.aspx?newsID=37108
2.https://advances.sciencemag.org/content/6/3/eaay5849
（来源： 光明日报 版权属原作者 谨致谢意）
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