碳納米管中的錸2分子 圖像：諾丁漢大學
自從提出原子是世界的基本組成部分以來，科學家就一直試圖瞭解它們如何以及為什麼彼此結合。不管是一個分子（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生物，最終，一切都由原子間成鍵和斷鍵的方式控制。
挑戰在於化學鍵的長度在0.1-0.3nm之間，是人頭髮的寬度一百萬分之一，這使得直接成像一對原子之間的鍵變得困難。先進的顯微鏡（例如原子力顯微鏡（AFM）或掃描隧道顯微鏡（STM））可以解析原子位置並直接測量鍵長，但是實時連續拍攝化學鍵斷裂和形成，是科學界的最大挑戰之一。
英國和德國的研究團隊已經迎來了這一挑戰，由烏爾姆大學材料科學電子顯微鏡（Electron Microscopy of Materials Science in the University of Ulm）負責人烏特·凱澤（Ute Kaiser）教授和諾丁漢大學化學學院（School of Chemistry at the University of Nottingham）的安德烈·赫洛比斯托夫（Andrei Khlobystov）教授領導的小組在《科學進展》上發表了“在原子尺度上無支持的Re2金屬-金屬鍵的成像”，這是美國科學發展協會的期刊，涵蓋了科學工作的所有方面。Re2：是兩個錸原子組成的分子。
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）方面的開創性應用而著稱，該技術可在單分子水平上記錄化學反應的“運動”影像，並且能夠利用碳納米管作為納米催化劑，拍攝微小金屬原子團的運動。碳納米管-只有一個原子厚度的空心圓柱體，直徑在分子規模，只有1-2納米。在這裡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，並將它們精確定位在我們想要的位置。在這種情況下，我們捕獲了一對鍵合在一起的錸原子形成錸2。因為錸的原子量比較大，在TEM中比輕元素更容易看到，這使我們能夠將每個金屬原子識別為一個黑點。”
烏特·凱澤教授補充說：“當我們通過最先進的彩色和球差校正亞埃低壓電子顯微鏡（SALVE TEM，Sub Angstrom Low Voltage Electron Microscopy）對這些雙原子分子進行成像時，我們觀察到了吸附在納米管石墨晶格上的錸2的原子尺度運動，並發現了鍵長在一系列離散步驟中改變”。
兩個較大的黑點。化學鍵斷鍵的瞬間，這個化學鍵只有人的頭髮寬度的50萬分之一。圖像：諾丁漢大學
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於能量從電子束的快速電子轉移到原子而引起的化學反應。TEM的“二合一”技巧使這些研究人員能夠為發生反應的分子錄像，現在，他們能夠連續拍攝由化學鍵形成的錸2沿著納米管“行走”的視頻。烏爾姆大學研究助理Kecheng Cao博士發現了這種現象並進行了成像實驗，他說：“令人驚訝的是，清楚的記錄了兩個原子如何成對運動，清楚地表明瞭它們之間的鍵。重要的是，當錸2沿著納米管向下移動時，鍵長會改變。
打破化學鍵
一段時間後，錸2的原子表現出振動，將本來的圓形變形為橢圓形並拉伸了鍵。當鍵長達到超過原子半徑之和時，鍵會斷裂並且振動停止，這表明原子變得彼此獨立。不久之後，原子又重新結合在一起，重新形成了錸2分子。
諾丁漢大學的博士後研究助理史蒂芬·斯科龍（Stephen Skowron）博士進行了錸2的鍵的計算，他說：“金屬原子之間的鍵在化學中非常重要，特別是對於瞭解材料的磁性、電子或催化特性。具有挑戰性的是過渡金屬（例如錸）可以形成從單鍵到五鍵的不同數量的鍵。在此TEM實驗中，我們觀察到兩個錸原子主要通過四鍵結合，這為過渡金屬化學提供了新的基礎知識。”
電子顯微鏡作為化學家的新分析工具
安德烈·赫洛比斯托夫說：“據我們所知，這是第一次在原子尺度上拍攝鍵的變化、斷裂和形成。電子顯微鏡已經成為確定分子結構的分析工具，尤其是隨著分子結構的發展。該技術獲得了2017年諾貝爾化學獎的認可。我們現在正在推動分子成像的前沿領域，超越簡單的結構分析，實時瞭解單個分子的動力學。” 研究小組認為，將來有一天電子顯微鏡可能會成為研究化學反應的通用方法，類似於化學實驗室廣泛使用的光譜方法。
閱讀更多 孜然實驗室 的文章
