翩翩起舞的原子，首次揭示化学键的形成和断裂

来源：中科院半导体所

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又是一个第一次！科学家首次利用先进的显微方法，捕捉并拍摄到了两个原子结合、断裂并再次结合时的“亲密舞蹈”视频。

我们的世界可以说是由原子组成的。科学家一直在试图了解原子是如何成键，以及为什么会结合在一起的。无论是一个分子，还是一块材料，或一个完整的生物体，最终，一切都是由原子的结合及其结合方式控制的。

但对原子之间的键的直接成像来说，最大挑战在于化学键的长度只有0.1到0.3纳米，大约只是人类头发宽度的50万分之一。实时拍摄具有时空连续性的成键和断裂过程更加困难。来自英国和德国的科学家利用两个过渡金属铼（Re）原子完成了这一挑战，他们的研究结果于近日发表在《科学进展》上。

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这组科学家很擅长在单分子水平上利用透射电子显微镜（TEM）拍摄化学反应的“电影”。在研究中，研究人员使用纳米管来捕捉原子或分子。纳米管是直径在分子尺度（1到2纳米）的空心柱，它们能够将原子精确地定位在想要的位置。

○ 碳纳米管（图中灰色）中两个铼原子（绿色）。

| 图片来源：University of Nottingham

在这种情况下，科学家捕获了一对铼原子结合在一起形成Re₂的画面。由于铼的原子序数较大，所以在TEM中更容易被观察到。因此金属原子在视野中就可以识别为一个黑点。

领导这项研究的Ute Kaiser教授介绍道：“当我们用经过了最优的色差和球差校正的亚埃米低电压电子透射电子显微镜（SALVE TEM）来对这些双原子分子进行成像时，我们观测到了被吸附在纳米管的石墨晶格上的Re₂的原子尺度的动力学，并且发现了在一系列不连续的步骤中，Re₂中的键长变化。”这个强大的显微镜向两个原子组成的分子发射一束电子，电子束与铼分子碰撞，为原子间的键断裂提供能量，同时在分子的另一侧也能检测到电子，从而产生图像。

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○ 一个由两个铼原子（深色点）组成的分子绕着两个碳纳米管（较浅的点）移动，在纳米管之间的缝隙中停留。当原子相隔较远时，原子间的键被破坏，然后再次成键。

在电子显微镜的影像中，两个铼原子结合在一起形成了一个分子，两个原子在彼此周围摇动着，移动得越来越近，然后又越来越远。在这些分子的视频中，这个"原子的舞蹈"揭示了键级，或者说两个原子之间化学键的数量，并揭示了键级是如何随时间演变的。原子之间离得越近，键的数目就越多。在它们最接近的地方，有四个键把原子拴在一起。

这两个原子的成对移动，清楚地表明了它们之间的键合。重要的是，当Re₂沿纳米管向下移动时，键的长度会发生变化，这表明键的强度或强度取决于原子周围的环境。

经过一段时间后，Re₂中的原子表现出振动，使它们从圆形变成椭圆，并拉伸键。当键长超过原子半径之和的一个值时，键就会断裂，振动停止，表明原子相互独立。不久之后，原子又结合在一起，重新形成了一个Re₂分子。

Stephen Skowron博士在研究中对再键合进行了计算，他说：“金属原子之间的键在化学中非常重要，特别是对于理解材料的磁性、电子性质或催化性具有重要意义。过渡金属，比如铼，可以形成从单键到五重键的不同级的键。在这个TEM实验中，我们观察到两个铼原子主要通过四重键结合，为过渡金属化学提供了新的基本见解。”

参考来源：

https://www.nottingham.ac.uk/news/walking-with-atoms

https://www.sciencenews.org/article/dance-two-atoms-reveals-chemical-bonds-forming-breaking

https://www.newscientist.com/article/2230547-watch-the-first-ever-video-of-a-chemical-bond-breaking-and-forming/