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學科前沿
碳納米管中的Re2分子圖象：伯明翰學院
自從提出原子是世界的基本組成部份以來化學鍵斷裂，研究人員就仍然在努力弄清楚原子之間是怎樣互相結(jié)合的。挑戰(zhàn)在于物理鍵的寬度僅為0.1-0.3nm，比人類毛發(fā)長度還要小50萬倍，這促使捕捉兩個原子之間發(fā)生鍵合的頓時十分困難。例如掃描隧洞顯微鏡（STM）或原子力顯微鏡（AFM）之類的復雜顯微鏡技術似乎可以解析原子的位置并直接量化物理鍵的厚度。但是，對具有時空連續(xù)性的物理鍵的實時破裂或產(chǎn)生進行成像一直是科學的最大挑戰(zhàn)之一。
日前，美國和加拿大的一組研究人員解決了這一困局，由烏爾姆學院院長兼材料科學電子顯微學系負責人Ute以及格拉斯哥學院物理大學（ofattheof）的院長領導的科研團隊在《》上發(fā)表了題為“anmetal-metalbondinatthescale“（譯：在原子尺度上無支持的Re2金屬-金屬鍵的成像）的文章。
納米試管中的原子
該研究團隊在透射電子顯微鏡（TEM）方面早已取得了許多突破性成果，該技術可在單分子水平上記錄物理反應的“影像”并且還能借助碳納米管作為納米催化劑，拍攝微小金屬原子團的運動。碳納米管為只有一個原子長度的空心圓錐體，半徑在分子規(guī)模，只有1-2納米，在這兒作為原子的微型試管。
通過從Re2(CO)10去除CO官能團來制備Re2
院長說，“納米管可以幫助我們捕獲原子或分子，并將它們精確地定位在我們想要的位置。在這些情況下，我們捕獲了結(jié)合在一起產(chǎn)生Re2的一對Re原子。因為錸的原子序數(shù)較高，因而在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為一個黑點。”
Ute院長說”當我們通過先進的彩色和球差校準亞埃低壓電子顯微鏡（SALVETEM）對這種雙原子分子進行成像時，我們觀察到吸附在納米管石墨晶格上的Re2的原子尺度運動，并發(fā)覺Re2的鍵短發(fā)生了一系列不規(guī)則變化”。
視頻來源：[都柏林學院]。由兩個Re原子（黑點）組成的分子繞開兩個碳納米管（亮點的點陣），步入納米管之間的間隙。當原子分開更大的距離時，原子之間的鍵被破壞，之后進行重組。
納米試管中的原子動圖電子束的雙重用途
研究人員借助電子束作為雙重用途的工具，可以確切地拍攝原子的位置并激活因為能量從快速聯(lián)通的電子束向原子轉(zhuǎn)移而造成的物理反應。借助TEM技術的“二合一”技巧，科學家們就能為發(fā)生反應的分子錄象。目前，該團隊早已拍攝了Re2順著納米管“行走”的連續(xù)視頻。
薩里學院的博士后研究助理博士表示，“令人吃驚的是，兩個原子的成對運動清楚地表明了它們之間的鍵。重要的是，當Re2順著納米管向上聯(lián)通時，鍵長會發(fā)生變化，這表明鍵會依照原子周圍的環(huán)境變強或變?nèi)酢?span style="display:none">1Am物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
打破禁錮
一段時間后，Re2的原子表現(xiàn)出震動化學鍵斷裂，將原本的方形變型為橢圓形并拉伸了鍵。當鍵長達到超過原子直徑之和時，鍵會破裂而且震動停止，這表明原子顯得彼此獨立。不久以后，原子又重新結(jié)合在一起，重新產(chǎn)生了Re2分子。
Re2運動的時間序列
執(zhí)行了Re2鍵合的估算，他說：“金屬鍵在物理中十分重要，非常是對于了解材料的磁性，電子或催化特點。過渡金屬，比如Re，可以產(chǎn)生從單鍵到五鍵的不同次序的鍵，在此TEM實驗中，我們觀察到兩個Re原子主要通過四鍵結(jié)合，為過渡金屬物理提供了新的基本看法。”
電子顯微鏡作為物理家的新剖析工具
院長說：“據(jù)我們所知，這是第一次在原子尺度中將鍵的演變，破裂和產(chǎn)生進行拍攝。隨著高溫TEM的發(fā)展，電子顯微鏡已然成為確定分子結(jié)構(gòu)的剖析工具，該技術獲得了2017年諾貝爾物理獎。繼續(xù)說道：“我們?nèi)缃裾趯⑶把胤肿映上裢葡蚝唵蔚慕Y(jié)構(gòu)剖析之外，并朝著實時了解單個分子的動力學方向發(fā)展。”
研究人員覺得，在未來的日子里，電子顯微鏡可能會成為探求物理反應的通用技術，類似于物理領域中廣泛使用的波譜技術。
參考資料：
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