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學(xué)科前沿
碳納米管中的Re2分子圖象：伯明翰學(xué)院
自從提出原子是世界的基本組成部份以來(lái)化學(xué)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(zhǎng)度還要小50萬(wàn)倍，這促使捕捉兩個(gè)原子之間發(fā)生鍵合的頓時(shí)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(fù)雜顯微鏡技術(shù)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(duì)具有時(shí)空連續(xù)性的物理鍵的實(shí)時(shí)破裂或產(chǎn)生進(jìn)行成像一直是科學(xué)的最大挑戰(zhàn)之一。
日前，美國(guó)和加拿大的一組研究人員解決了這一困局，由烏爾姆學(xué)院院長(zhǎng)兼材料科學(xué)電子顯微學(xué)系負(fù)責(zé)人Ute以及格拉斯哥學(xué)院物理大學(xué)（ofattheof）的院長(zhǎng)領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)在《》上發(fā)表了題為“anmetal-metalbondinatthescale“（譯：在原子尺度上無(wú)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(tuán)隊(duì)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(shù)可在單分子水平上記錄物理反應(yīng)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(tuán)的運(yùn)動(dòng)。碳納米管為只有一個(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，在這兒作為原子的微型試管。
通過(guò)從Re2(CO)10去除CO官能團(tuán)來(lái)制備Re2
院長(zhǎng)說(shuō)，“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(duì)Re原子。因?yàn)殄n的原子序數(shù)較高，因而在TEM中比輕元素更容易聽(tīng)到，這使我們能否將每位金屬原子辨識(shí)為一個(gè)黑點(diǎn)。”
Ute院長(zhǎng)說(shuō)”當(dāng)我們通過(guò)先進(jìn)的彩色和球差校準(zhǔn)亞埃低壓電子顯微鏡（SALVETEM）對(duì)這種雙原子分子進(jìn)行成像時(shí)，我們觀察到吸附在納米管石墨晶格上的Re2的原子尺度運(yùn)動(dòng)，并發(fā)覺(jué)Re2的鍵短發(fā)生了一系列不規(guī)則變化”。
視頻來(lái)源：[都柏林學(xué)院]。由兩個(gè)Re原子（黑點(diǎn)）組成的分子繞開(kāi)兩個(gè)碳納米管（亮點(diǎn)的點(diǎn)陣），步入納米管之間的間隙。當(dāng)原子分開(kāi)更大的距離時(shí)，原子之間的鍵被破壞，之后進(jìn)行重組。
納米試管中的原子動(dòng)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?yàn)槟芰繌目焖俾?lián)通的電子束向原子轉(zhuǎn)移而造成的物理反應(yīng)。借助TEM技術(shù)的“二合一”技巧，科學(xué)家們就能為發(fā)生反應(yīng)的分子錄象。目前，該團(tuán)隊(duì)早已拍攝了Re2順著納米管“行走”的連續(xù)視頻。
薩里學(xué)院的博士后研究助理博士表示，“令人吃驚的是，兩個(gè)原子的成對(duì)運(yùn)動(dòng)清楚地表明了它們之間的鍵。重要的是，當(dāng)Re2順著納米管向上聯(lián)通時(shí)，鍵長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變化，這表明鍵會(huì)依照原子周圍的環(huán)境變強(qiáng)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(shí)間后，Re2的原子表現(xiàn)出震動(dòng)化學(xué)鍵斷裂，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(guò)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Re2分子。
Re2運(yùn)動(dòng)的時(shí)間序列
執(zhí)行了Re2鍵合的估算，他說(shuō)：“金屬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)。過(guò)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(shí)驗(yàn)中，我們觀察到兩個(gè)Re原子主要通過(guò)四鍵結(jié)合，為過(guò)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(zhǎng)說(shuō)：“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(jìn)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(shù)獲得了2017年諾貝爾物理獎(jiǎng)。繼續(xù)說(shuō)道：“我們?nèi)缃裾趯⑶把胤肿映上裢葡蚝?jiǎn)單的結(jié)構(gòu)剖析之外，并朝著實(shí)時(shí)了解單個(gè)分子的動(dòng)力學(xué)方向發(fā)展。”
研究人員覺(jué)得，在未來(lái)的日子里，電子顯微鏡可能會(huì)成為探求物理反應(yīng)的通用技術(shù)，類似于物理領(lǐng)域中廣泛使用的波譜技術(shù)。
參考資料：
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