世界首次成功测量原子间的结合力

世界首次成功测量原子间的结合力

近日日本北陆先端科学技术大学的先端科学技术研究科应用物理学领域的大岛义文教授等成功测量了原子间的结合力。其研究成果“Peculiar Atomic Bond Nature in Platinum Monatomic Chains”发表在影响因子为11.238的期刊《Nano Letters》上。

***什么是原子间的结合力***

原子之间的作用力，实际上就是电磁力。究竟是怎样的电磁力呢？我们知道原子空间绝大部分是电子的运动空间，原子核位于相对中心的较小区域，原子与原子核电量总体处于平衡状态。是总体处于平衡，这是我们必须清楚的地方。但具体到原子的某一部分空间是不平衡的，比如，原子核附近的空间是正电处于优势，原子外围空间自然是负电处于优势。两个原子之间接触的表面自然属于外围空间，自然都是负电占据优势，原子之间自然是相互排斥的，这当然是原子之间在一定距离范围内的情况。超过一定的距离，原子之间的排斥力就很小了，这样的原子间隔应该就是原子之间的正常距离了。

***计算原子间的结合力为何很复杂***

原子并不是我们想象中的单个个体，而是由原子核和外围的众多电子组成的。它们在量子力学的法则下，通过原子内的作用力，组成了一个复杂的量子系统。

而且，原子内各个成员的小动作太多。比方说，许多原子核有好几种办法自转，每个核外的外层电子可以在几个空轨道之间乱窜。电子或电子的电量并不是均匀分布到原子的外围空间，而是环绕原子核运动。我们知道运动的电子会产生磁场，涡旋运动的电子形成的磁场会呈现为一个小磁针状态的可以分为正极和负极的磁场，也就是我们说的偶极子磁场。

因此，原子间不同的化学反应，原子内部各成分的运动状态都会影响其作用力，无论应用量子力学还是经典计算机都很难通过理论计算来得知它们的作用力大小。

***那我们怎么测量原子间的结合力***

材料的性质由原子间的几何排列及原子间内部键结合形态而决定。原子的排列一般是链状结构，具有一维力学性质，然而对于一维力学性质，原子的微弱移动也很敏感，这大大增加了原子间力的测量难度。如果能够搞清楚原子的几何排列结构和其相关的力学性质，我们就可以根据一维力学的结构原理来分析。那么首先要做的是开发一种具备一维力学原理的电子设备或者传感器来捕捉原子的运动轨迹。在大岛义文教授等的研究中，将一个细长的水晶谐振子放入到一个可以直接观测原子排列的透射式电子显微镜电子枪中，通过显微力学原理测量法来探究原子的排列和其力学关系。这里面为什么要用到透射式电子显微镜呢？

透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,简称TEM),可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2um的细微结构，这些结构称为亚显微结构或超微结构。要想看清这些结构，就必须选择波长更短的光源，以提高显微镜的分辨率。1932年Ruska发明了以电子束为光源的透射电子显微镜，电子束的波长要比可见光和紫外光短得多，并且电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比，也就是说电压越高波长越短。目前TEM的分辨力可达0.2nm。

透射式电子显微镜成像采用平行入射电子束照射样品，后续的电磁透镜通过同时聚焦从样品各个像素点发出的不同散射方向透射电子（TE-transmission electron），从而对电子束照射区域进行放大成像，通过调节中间的电磁透镜焦距，可实现放大倍数调节，最后用投影镜将物像照射在图像记录或显示上；SEM/STEM使用汇聚电子束照射样品 ，逐点扫描成像，空间分辨率和汇聚电子束束斑直径相关，通过改变电子束扫描区域大小来改变放大倍数。

在这种方法中，在与白金原子接触后，水晶谐振子的共振周期会由于他们的相互作用而发生变化。共振周期的变化与物质的等价弹性系数相对应，通过观测水晶谐振子的共振周期的这种变化，间接测量纳米级或原子级物质间的作用力。水晶谐振子的振动振幅一般在27皮米（1皮米=10-12米），大约是氧原子半径的1/2。而利用透射式电子显微镜可以很容易看清楚原子的轮廓。

在他们的研究中，显微镜电子枪内部放置150个白金的原子链，在此之前研究白金原子的特性时发现，确定白金原子链间的结合强度为25N/m。这个结合力比白金的块状晶体（Bulk crystal）的原子结合强度20N/m还要大。另外，原子间结合链（0.25nm）的最大伸长长度最大为0.06nm，其弹性变形大约为24%，而块状晶体的弹性变形大约只有5%。

结合第一原理的计算结果，这种特有的原子结合性质，并非是白金原子链的能量上最稳定的构造，而是结构形成的最小必要张力而产生的原子链结合。

***结语***

我们如果能够准确掌握分子或原子间作用力的大小，对于纳米级材料的研究会有很大的帮助，使我们更容易地理解材料的物理和化学性质，进而可以更进一步地研究开发新型材料应用于各个领域。

参考文献

1.    [endif] https://www.shutterstock.com/image-illustration/3d-illustration-structure-graphene-tube-abstract-1410015179

2.    [endif] http://mozi.ustc.edu.cn/index/info/239

3.    [endif] https://microbenotes.com/transmission-electron-microscope-tem/

4.    [endif] https://research-er.jp/articles/view/98927

不是一个晶体，虽然5k倍下可以看到40nm的组织，但是还没有达到晶体的晶格常数水平，所以不是晶体组织。我们观察晶体组织一般是通过x射线衍射分析得到衍射花样，通过计算得出的，而不能直接观察到晶体。

看到的这种粒子是这种材料的表面组织形貌

10nm非常小了，一般情况下FE-SEM不会用来观测10nm左右纳米颗粒的微观结构的~还有，SEM是二次电子成像，由于二次电子的产额随原子数的变化不大，所以得到的SEM图像中Contrast不怎么明显。所以我觉得你应该用TEM来表征你做的这个样品，在TEM图像中，Ni的颜色比Al2O3的暗，如果条件允许的话，做HRTEM或者EDX就更能准备表征你样品中的黑色纳米颗粒是Ni了~~~

---