化学重大突破！科学家第一次拍摄到化学键的振动、结合、断裂的实时图像

碳纳米管中的Re2分子 图像：诺丁汉大学

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。

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 Advance》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。