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自從提出原子是世界的基本組成部份以來，科學(xué)家就仍然企圖了解它們?nèi)绾我约盀楹伪舜私Y(jié)合。不管是一個(gè)分子（是一組以特定形式聯(lián)接在一起的原子），還是一塊材料或整個(gè)生物，最終，一切都由原子間成鍵和斷鍵的方法控制。
挑戰(zhàn)在于物理鍵的厚度在0.1-0.3nm之間，是人頭發(fā)的長(zhǎng)度一百萬分之一，這促使直接成像一對(duì)原子之間的鍵顯得困難。先進(jìn)的顯微鏡（比如原子力顯微鏡（AFM）或掃描隧洞顯微鏡（STM））可以解析原子位置并直接檢測(cè)鍵長(zhǎng)，而且實(shí)時(shí)連續(xù)拍攝物理鍵破裂和產(chǎn)生，是科學(xué)界的最大挑戰(zhàn)之一。
美國(guó)和英國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)早已迎來了這一挑戰(zhàn)，由烏爾姆學(xué)院材料科學(xué)電子顯微鏡（ofintheofUlm）負(fù)責(zé)人烏特·凱澤（Ute）院長(zhǎng)和薩里學(xué)院物理大學(xué)（ofattheof）的安德烈·赫洛比斯托夫（）院士領(lǐng)導(dǎo)的小組在《科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表了“在原子尺度上無支持的Re2金屬-金屬鍵的成像”，這是日本科學(xué)發(fā)展商會(huì)的刊物，囊括了科學(xué)工作的所有方面。Re2：是兩個(gè)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(chuàng)性應(yīng)用而聞名，該技術(shù)可在單分子水平上記錄物理反應(yīng)的“運(yùn)動(dòng)”影像，而且還能拍攝借助碳納米管作為納米催化劑，微小金屬原子團(tuán)的運(yùn)動(dòng)。碳納米管-只有一個(gè)原子長(zhǎng)度的空心圓錐體，半徑在分子規(guī)模，只有1-2納米。在這兒碳納米管作為原子的微型試管。
安德烈·赫洛比斯托夫院長(zhǎng)說：“納米管可以幫助我們捕獲原子或分子，并將它們精確定位在我們想要的位置。在這些情況下，我們捕獲了一對(duì)鍵合在一起的錸原子產(chǎn)生錸2。由于錸具有高原子量，在TEM中比輕元素更容易聽到，這使我們能否將每位金屬原子辨識(shí)為一個(gè)黑點(diǎn)。”
烏特·凱澤院長(zhǎng)補(bǔ)充說：“當(dāng)我們通過最先進(jìn)的彩色和球差校準(zhǔn)SALVETEM對(duì)這種雙原子分子進(jìn)行成像時(shí)，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(yùn)動(dòng)，并發(fā)覺了鍵長(zhǎng)在一系列離散步驟中改變”。
兩個(gè)較大的黑點(diǎn)。物理鍵斷鍵的頓時(shí)，這個(gè)物理鍵只有人的毛發(fā)長(zhǎng)度的50萬分之一。圖象：伯明翰學(xué)院
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因?yàn)槟芰繌碾娮邮目焖匐娮愚D(zhuǎn)移到原子而造成的物理反應(yīng)。TEM的“二合一”技巧使那些研究人員才能記錄過去發(fā)生反應(yīng)的分子的電影，如今，她們能否連續(xù)拍攝由物理鍵產(chǎn)生的錸2順著納米管“行走”的鏡頭。烏爾姆學(xué)院研究助理Cao博士發(fā)覺了這些現(xiàn)象并進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)，他說：“令人吃驚的是，清楚的記錄了兩個(gè)原子怎么成對(duì)運(yùn)動(dòng)，清楚地表明了它們之間的鍵。重要的是，當(dāng)錸2順著納米管向上聯(lián)通時(shí)化學(xué)鍵斷裂，鍵長(zhǎng)會(huì)改變。
打破物理鍵
一段時(shí)間后，錸2的原子表現(xiàn)出震動(dòng)，將原本的方形變型為橢圓形并拉伸了鍵。當(dāng)鍵長(zhǎng)達(dá)到超過原子直徑之和時(shí)，鍵會(huì)破裂而且震動(dòng)停止，這表明原子顯得彼此獨(dú)立。不久以后，原子又重新結(jié)合在一起，重新產(chǎn)生了錸2分子。
薩里學(xué)院的博士后研究助理史蒂芬·斯科龍（）博士進(jìn)行了錸2鍵的估算，他說：“金屬原子之間的鍵在物理中十分重要，非常是對(duì)于了解材料的磁性、電子或催化特點(diǎn)。具有挑戰(zhàn)性的是過渡金屬（比如錸）可以產(chǎn)生從單鍵到五鍵的不同數(shù)目的鍵。在此TEM實(shí)驗(yàn)中，我們觀察到兩個(gè)錸原子主要通過四鍵鍵合，這為過渡金屬物理提供了新的基礎(chǔ)知識(shí)。”
電子顯微鏡作為物理家的新剖析工具
安德烈·赫洛比斯托夫說：“據(jù)我們所知化學(xué)鍵斷裂，這是第一次在原子尺度上拍攝鍵的變化、斷裂和產(chǎn)生。電子顯微鏡早已成為確定分子結(jié)構(gòu)的剖析工具，尤其是隨著分子結(jié)構(gòu)的發(fā)展。該技術(shù)獲得了2017年諾貝爾物理獎(jiǎng)的認(rèn)可。我們?nèi)缃裾谕七M(jìn)分子成像的前沿領(lǐng)域，趕超簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)剖析，并實(shí)時(shí)了解單個(gè)分子的動(dòng)力學(xué)。”研究小組覺得，將來有三天電子顯微鏡可能會(huì)成為研究物理反應(yīng)的通用方式，類似于物理實(shí)驗(yàn)室廣泛使用的波譜技巧。