▎学术经纬/报导
慨叹“世路无量，劳生有限”，大略是人的天性，从古至今皆如此。古有“人生六合间，忽如远行客”“寄蜉蝣于六合，渺沧海之一粟”，就连小品中都在戏弄“人这一生可时间短了，有时候和睡觉是相同相同的：眼睛一闭一睁，一天过去了；眼睛一闭不睁，这辈子就过去了……”。
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有些慨叹正值青春年少，为赋新词强说愁；有些则历经年月洗礼，待到荣华逝去，面对未了的夙愿仍爱莫能助，压抑久了，便需求寻觅一个出口。有人会寄期望于神学，倒不至于看破红尘，只消作为一种心灵的寄予。科学家也不破例，或许是遇到倾其一生也没有处理的科学难题，世界观也开端发作奇妙的改动，古往今来，皆有事例。牛顿、爱因斯坦在晚年均开端研讨神学，为此有人会觉得非常荒唐，但倘若推测其心境并代入相同的命运，咱们便或许给予满意的容纳和了解，尽管咱们大略一辈子都不会信任“量子梵学”，不会信任“气功理论”。
今日要评论一个严厉的问题……
这个问题，或许也曾困扰科学家良久：化学键是怎么构成的？在此之前，咱们需求回忆一下什么是化学键。
分子由原子构成，化学键是分子或晶体中相邻的两个或多个原子（或离子）之间激烈彼此效果力的总称。素日里为了愈加简略、直观地了解这个概念，咱们会运用一根短线代表化学键。德国化学家霍夫曼（August Wilhelm von Hofmann）还发明晰球棍模型便利授课演示，以不同色彩、巨细的圆球代表原子，运用不同长度及数量的棍棒衔接这些“原子”，单键运用一根，双键则运用两根，以此类推，然后得到三维空间散布的分子模型。但实践状况下并不存在这样的短线，化学键的实质是效果力。
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跟着前史的变迁，化学键理论也在不断开展，相继构成了价键理论、杂化轨迹理论、分子轨迹理论、晶体场及配位场理论等。每种理论均有其特定的适用规模，例如价键理论是最早开展的化学键理论，适用于共价化合物分子，化学键是经过原子间共用电子对或电子云堆叠构成的彼此效果；而分子轨迹理论常用于处理双原子分子结构，分子中的电子环绕整个分子运动。不管哪种解说，化学键均触及电子的排布办法。尽管化学键理论日趋完善，但均是根据理论核算及许多假定得到的合理猜想。所谓“有图有本相”，人们更期望经过试验直观知道化学键的构成进程。但化学键触及肉眼不行见的微观客体，受限于剖析检测技能，这一难题迟迟没有处理。
最近，德国雷根斯堡大学（University of Regensburg）的Franz J. Giessibl教授团队便凭借原子力显微镜（AFM）成像技能处理了这一问题，经过试验证明了化学键的构成触及分子或原子间不同效果办法的改变。相关作业宣布在尖端学术期刊Science上。
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化学反响是指分子中的原子重新组合，构成新分子的进程，其实质就是旧的化学键开裂，与此同时构成新的化学键。分子在不停地做无规则运动，发作化学反响时，反响物分子需阅历有用磕碰。英国科学家兰纳-琼斯（John Edward Lennard-Jones）曾提出了电中性分子或原子之间彼此效果的数学模型，他以为分子或原子能够经过两种效果办法与特定的界面结合：
一种经过分子间效果力（范德华力，van-der-Waals force）完成弱彼此效果，即物理吸附。这种吸附效果是可逆的，其自身也不触及任何化学改变，温度升高时可发作脱附。例如两个稀有气体原子Xe之间便存在范德华彼此效果，势阱约20 meV（0.46 kcal/mol）。两个原子间势能（V）及彼此效果力（Fz）对间隔（z）的联系如下图所示，引力最大值约为10 pN。（见下图A和D）
Xe、Si原子间不同的彼此效果办法（图片来历：参考资料[1]）
另一种则触及更强的化学键合效果，即化学吸附。发作这样的吸附效果需求战胜必定的活化能垒，反响物发作化学改变，吸附进程也不行逆。如原子晶体Si中两个原子之间存在Si-Si共价键，势阱在eV数量级，引力最大值在nN数量级，均远超过Xe原子间的彼此效果状况。（见上图B和E）
理论上讲，两种效果办法间存在能垒，相对独立。关于化学键的构成进程，两者或许会相继发作——从物理吸附转化变为化学吸附，但怎么挑选适宜的反响系统与检测手法加以证明成为人们需求面对的问题。关于某些能垒较高的系统，发作物理吸附后很难在可检测的条件下进一步发作化学吸附。另一些系统能垒又较低，分子或原子以满意的能量抵达某一界面时直接发作化学吸附，物理吸附无从考证。只有当能垒满意必定条件，分子或原子发作物理吸附后，供给恰当的能量战胜能垒便可完成化学吸附，这一进程才干得到证明，此刻还需凭借牢靠的检测手法。
物理吸附与化学吸附间能垒高度不同时分子（原子）间的彼此效果状况（图片来历：参考资料[1]）
以往的研讨发现，CO既能够在过渡金属催化剂外表发作物理吸附，也能够发作解离化学吸附构成吸附于催化剂外表的C原子及O原子，且关于铁（Fe）左边的榜首行过渡金属以及钨（W），解离化学吸附能够在室温下进行。传统研讨吸附进程的办法包含热解析谱、电子能量丢失谱剖析，但这类办法适用于研讨较大的分子。扫描隧道显微镜（STM）在研讨化学吸附的反响机制方面具有很大的优势，结合超短脉冲激光技能乃至能够获得飞秒量级的分辨率，但其仅可对终究产品进行成像，研讨反响进程尚无法完成。
此前咱们还介绍过（蛰伏50余年，《科学》和《天然》抢着报导的全碳环，到底是个啥子哟），原子力显微镜（AFM）可对样品纳米区域的描摹等物理特性进行高分辨率的勘探成像，并使用单原子操作技能在低温下对样品进行原子标准的操作与加工。作者就是使用针尖吸附CO的AFM成像手法来研讨化学键的构成进程。
他们以Cu(111)作为基质，别离研讨了其外表吸附的Si、Cu及Fe原子与针尖吸附CO的AFM的彼此效果状况。关于吸附Si原子，两者仅发作物理吸附；关于Cu来讲，尽管没有观察到显着的能垒，但其Fz对z的曲线与简略发作物理吸附的状况显着不同，发作引力的z规模变宽，标明CO发作了化学改变；而关于Fe则能够观察到显着的能垒，标明两者发作从物理吸附至化学吸附的改变，其势能从部分最小值改变为大局最小值。
Cu(111)外表吸附的Si、Cu及Fe原子与针尖吸附CO的AFM的彼此效果状况（图片来历：参考资料[1]）
作者还进一步研讨了三者别离在xz平面、xy平面Fz的改变状况，并绘制成等高图，与密度泛函理论（DFT）核算结果进行比较，再次验证了以上定论。CO与吸附Cu、Fe原子的电子态发作杂化，两者与CO的彼此效果状况不同，或许与其3d轨迹的自旋状况不同有关。
试验和理论核算探求xz平面、xy平面Fz的改变状况（图片来历：参考资料[1]）
至此，Franz Giessibl教授团队经过试验证明了化学键的构成触及物理吸附向化学吸附的改变进程。当然，这项作业的含义不只是“有图有本相”那么简略，还可为深化了解过渡金属异相催化进程的反响机制供给重要的学习，由此合理规划催化剂及催化反响。
还记得在读研时，导师便一再强调：反响的机制只能反证，扫除哪些途径是过错的，而无法直接加以证明，因而任何反响机理仅具有或许性，不行彻底确认。受限于现在的检测手法，人们还无法自若地做到直接观测反响进行的进程，但等待未来的某一天，这一问题能够得到处理。
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参考资料
[1] Ferdinand Huber et al., (2019). Chemical bond formation showing a transition from physisorption to chemisorption. Science, DOI: 10.1126/science.aay3444
[2] Eric V. Anslyn, Dennis A. Dougherty. Modern Physical Organic Chemistry [M]: University Science Books, 2006. 31-92
