自从有人提出原子是构成世界的基本单位以来，科学家们一直在试图理解原子是如何以及为什么会相互结合的。无论是一个分子(一组原子以特定的方式连接在一起)，还是一块材料或一个完整的生物体，最终，一切都是由原子的结合方式和化学键的断裂方式控制的。
挑战在于，化学键的长度在0.1 - 0.3纳米之间，大约比人类头发的宽度小50万倍，这使得直接成像一对原子之间的化学键非常困难。先进的显微技术，如原子力显微镜(AFM)或扫描隧道显微镜(STM)，可以直接解析原子位置和测量键长，但实时拍摄化学键以打破或形成时空连续性，仍然是科学面临的最大挑战之一。
遇到了这一挑战领导的一个研究小组从英国和德国Ute凯泽教授的电子显微镜,乌尔姆大学的材料科学教授Andrei Khlobystov在诺丁汉大学化学学院其出版的成像不受支持的债券在dirhenium分子-金属原子尺度的科学进步,美国科学促进协会的一份杂志，涵盖了科学努力的所有方面。
纳米试管中的原子
这组研究人员以其开创性的使用透射电子显微镜(TEM)拍摄的电影在单分子水平的化学反应,和动力学的微小的金属原子簇nanocatalysts利用碳纳米管——自动薄空心圆柱体直径在分子尺度的碳(1 - 2海里)作为原子微型试管。
安德烈·赫洛比斯托夫教授说:“纳米管帮助我们捕获原子或分子，并将它们精确定位到我们想要的位置。在这种情况下，我们捕获一对铼(Re)原子结合在一起形成Re2。因为铼的原子序数高，所以在透射电子显微镜中比在较轻的元素中更容易看到，这使我们能够把每个金属原子识别为一个黑点。”
Ute凯泽教授补充道:“我们这些双原子分子成像的彩色和球面像差校正药膏TEM,我们观察到的量子动力学Re2公司吸附在碳纳米管的石墨晶格和发现的键长变化Re2公司在一系列离散的步骤。”
电子束的双重用途
该团队有丰富的使用电子束作为工具的双重用途的记录:精确的原子位置成像和激活化学反应，由于能量从电子束的快速电子转移到原子。TEM的“二合一”技术使这些研究人员能够记录过去分子反应的视频，现在他们能够在连续视频中记录两个结合在一起的Re2原子沿着纳米管“行走”的过程。乌尔姆大学的研究助理Kecheng Cao博士发现了这一现象，并进行了成像实验。重要的是，当Re2沿着纳米管向下移动时，键长发生了变化，这表明键的强度取决于原子周围的环境。”
打破纽带
一段时间后，Re2原子表现出振动，将其圆形变形为椭圆形并拉伸了键合。当键长达到一个超过原子半径之和的值时，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。
诺丁汉大学的博士后研究助理Stephen Skowron博士进行了Re2键的计算，他说：“金属原子之间的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。具有挑战性的是过渡金属（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rh原子主要通过四键键合，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
安德烈·赫洛比斯托夫（Andrei Khlobystov）说：“据我们所知，这是第一次在原子尺度上将键的演化，断裂和形成记录在胶片上。电子显微镜已经成为确定分子结构的分析工具，尤其是随着低温TEM的发展，该技术已获得2017年诺贝尔化学奖。现在，我们正在推动分子成像的前沿领域超越简单的结构分析，并朝着实时了解单个分子的动力学方向发展。”研究小组认为，将来有一天电子显微镜可能会成为研究化学反应的通用方法，类似于化学实验室中广泛使用的光谱方法。
——文章发布于2020年1月17日
