科学家们首次成功捕捉和记录了原子之间的化学键形成和断裂的过程。他们利用先进的显微镜技术捕捉到了一个破裂化学键的瞬间，其大小约为人类头发宽度的五十万分之一。自从原子被提出作为世界的基本建筑块以来，科学家们一直试图了解原子如何以及为何会相互结合。无论是分子（即以特定方式连接在一起的一组原子），或是材料块或整个活体生物，最终，一切都受控于原子之间的结合方式和结合断裂方式。挑战在于化学键的长度在0.1至0.3纳米之间，约为人类头发宽度的五十万分之一，直接观察成对原子之间结合的成像非常困难。先进的显微镜方法，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并测量化学键的长度，但实时记录化学键的断裂或形成，并具有时空连续性，仍然是科学面临的最大挑战之一。一个来自英国和德国的研究团队已经应对了这一挑战，并发表了有关原子尺度上镁锆分子中不支持的金属-金属键成像的论文。这些研究人员以透射电子显微镜（TEM）拍摄分子反应的“电影”而闻名，并利用碳纳米管作为原子的微型试管。他们发现，金属原子之间的键主要通过一个四重键结合在一起，为过渡金属化学提供了新的基本见解。电子显微镜已成为化学家们的新分析工具，有望成为研究化学反应的普遍方法传统光谱方法。观察原子间的化学键形成和断裂的行动
科学家们首次捕捉并记录了原子的结合，使用先进的显微镜方法，他们捕捉到了一瞬间的断裂化学键，其尺寸约为人类头发宽度的一半百万分之一。
自提出原子是构成世界的基本组成单元以来，科学家们一直试图理解它们如何以及为什么会相互结合。无论是分子（即以特定方式连接在一起的一组原子），还是一块材料或整个生物体，最终，一切都受原子结合的方式和键的断裂控制。
挑战在于，化学键的长度在0.1–0.3纳米之间，大约是人类头发宽度的一半百万分之一，这使得直接成像一个原子对之间的结合变得困难。先进的显微镜方法，例如原子力显微镜（AFM）或扫描隧道显微镜（STM），可以直接解析原子位置并测量键长，但在实时连续中拍摄化学键断裂或形成的过程，仍然是科学的最大挑战之一。
英国和德国的研究团队应对了这一挑战，由乌尔姆大学材料科学电子显微镜负责人乌特·凯撒（Ute Kaiser）教授和诺丁汉大学化学学院安德烈·赫洛比斯托夫（Andrei Khlobystov）教授领导，他们发表了《在原子尺度上成像不受支撑金属-金属键的二重铼分子》一文，刊登在美国科学促进协会的期刊《科学进展》上，该期刊涵盖了科学努力的各个方面。
纳米试管中的原子
这组研究人员以开创性的方式利用透射电子显微镜（TEM）在单分子水平上拍摄化学反应的“电影”，并利用碳纳米管作为原子的微观催化剂中金属原子团簇的动态测试试管 - 这些碳纳米管是直径在分子尺度（1-2纳米）的碳薄壁空心圆柱体，可作为原子的微型试管。
乌特·凯撒教授补充道：“当我们使用最先进的色差和球差校正的SALVE TEM来成像这些双原子分子时，我们观察到了Re2吸附在纳米管的石墨晶格上的原子尺度动态，并发现Re2的键长在一系列离散步骤中发生变化。”
电子束的双重用途
该团队有着丰富的经验，将电子束作为一种双重工具：精确成像原子位置和由电子束中快速电子传递的能量激活化学反应。利用TEM的“一举两得”技巧使这些研究人员能够记录分子过去反应的视频，现在他们可以拍摄两个原子在纳米管上“行走”并形成连续视频。负责发现这一现象并进行成像实验的乌尔姆大学研究助理凯程·曹（Kecheng Cao）博士说：“令人惊讶的是两个原子如何成对移动，明显表明它们之间存在着一种键。重要的是，当Re2沿着纳米管移动时，键长发生变化，表明键的强度会根据原子周围环境的不同而变强或变弱。”
断裂化学键
一段时间后，Re2的原子出现了振动，将它们的圆形形状扭曲成椭圆形并拉伸了键。当键长达到超过原子半径和之和的值时，键突然断裂，振动停止，表明原子之间变得相互独立。过不久，这些原子再次结合在一起，重新形成Re2分子。
进行了Re2键合计算的诺丁汉大学博士后研究助理斯蒂芬·斯科隆（Stephen Skowron）博士表示：“金属原子之间的键对化学反应非常重要，尤其是对于理解材料的磁性、电子或催化性能。挑战在于过渡金属（如铼）可以形成单键到五重键等不同级别的键。在这次TEM实验中，我们观察到两个铼原子主要通过四重键结合在一起，这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·赫洛比斯托夫表示：“据我们所知，这是第一次在原子尺度上记录化学键的演变、断裂和形成的过程。随着冷冻TEM的进步（被2017年诺贝尔化学奖承认），电子显微镜已成为确定分子结构的分析工具。我们现在正在将分子成像的界限推动到简单结构分析以外的方向，朝着实时理解个体分子动态的方向发展。”
该团队相信，未来有一天电子显微镜可能会成为研究化学反应的一种通用方法，类似于化学实验室中广泛使用的光谱方法。
