原位透射电子显微镜（in situ TEM）
在显微学技术中，原位扫描电子显微镜（in situ SEM ）可以实时检测纳米材料的变化，但是对于研究原子尺度的结构动力学具有局限性；而原位原子力显微镜（in situ AFM ）和原位扫描隧道显微镜（ in situ STM ）虽然具有接触式测量和原子级分辨率的优势，但是又仅局限于材料的表面检测。而原位透射电子显微镜（ in situ TEM ）不但具备非原位透射电子显微镜（TEM）的高空间分辨率和高能量分辨率优点，同时在电子显微镜内部引入力、热、 电、磁以及化学反应等外部激励，可以直接在原子层次观察样品在外部激励作用下的微结构演化及进行表征的过程， 通过实时观测和记录位于电镜内部的样品对于不同外部激励信号的动态响应过程 ，从而获得相关样品信息。
由于原位透射电子显微镜能提供接近真实环境的条件，更直接地将材料的微观结构变化与外部信号关联起来，这对于拓展材料在微观尺度的实验手段，理解各种动态反应的本质，设计和制备具有新奇性能的材料有着重要意义，因此该表征技术近些年取得了迅速的发展，不仅在上面所述的原位电、力、热、磁、电子束领域，借助原位环境透射电子显微镜（ in situ ETEM），还可以实现在原子尺度实时观察化学反应动力学过程[1]。
Jimmy Liu等人利用等体积浸渍法制备了TiO2负载的Ni(NO3)2粒子，利用原位环境透射电子显微镜来研究单质Ni在还原气氛（CO、H2）下在高表面积氧化物载体上的成核和演化的过程[1]。结果如图1所示，图1（a）显示了TiO2负载前驱物，其中0.35 nm晶面间距对应锐钛矿TiO2（101）面，0.47 nm晶面间距对应三斜 Ni前驱物的（1 -11）面。在350 ℃下经CO还原60分钟，可以发现表层晶面主要由Ni（111）面构成（图1b）。随着反应进行，新的表层晶面不断形成扩大，同时最初形成的（111）表层晶面逐渐被消耗掉（图1c-e）。在反应时间达到300分钟后，Ni的（100）与（111）表层晶面长度分别为8 nm和6.7 nm（图1f）。实验结果表明，CO与Ni（100）和（110）面的吸附作用比（111）面更强烈，导致比（111）面更低的表面自由能。沿低指数晶带轴取向所拍摄的纳米粒子，其表层特定晶面的长度直接和各个晶面的自由能相关，比较（100）面和（111）面的表层晶面长度可以推断，（100）面的自由能比（111）面低16% [2]。
设计出具有某个特定表层晶面结构的纳米粒子对于多相催化应用而言具有重要意义，从上述实例可以看出，利用原位透射电子显微镜为研究采用等体积浸渍法设计合成高性能的纳米催化剂提供了基础性指导理论[1]。
图1 Ni前驱物在0.2 Torr CO/N2，350 ℃的气氛下经历不同 反应时间还原生成Ni/TiO2催化剂的原位高分辨TEM像（a）反应前；（b）60分钟；（c）90分钟；（d）102分钟；（e）180分钟；（f）300分钟[2]
参考文献
[1] 王荣明, 刘家龙, 宋源军. 原位透射电子显微学进展及应用[J]. 物理, 2015, 44(2): 96-105.
[2] Li P，Liu J Y，Nag N et al. J. Phys. Chem. B，2005，109：13883.
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