大多數(shù)固體材料是由成千上萬個(gè)小晶體組成，這些小晶體的取向、大小、形狀以及它們在樣品內(nèi)的三維空間分布和排列決定了材料的性能。最近，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室劉志權(quán)研究員與丹麥科技大學(xué)Ris 可持續(xù)能源國家實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)、美國約翰霍普金斯大學(xué)的科學(xué)家們共同合作，開發(fā)出了一種利用透射電子顯微鏡對納米材料進(jìn)行直接三維定量表征的新方法，這一成果發(fā)表在5月13日出版的《科學(xué)》周刊上Science332(2011)833. (http://www.sciencemag.org/content/332/6031/833.full)
通常，材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)信息是通過對截面樣品的二維觀察得到的，這種二維觀察不能提供材料內(nèi)部小晶體在三維空間的相對分布和晶界特性等重要的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而制約了對材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能相互關(guān)系的深刻理解和材料性能的改進(jìn)和優(yōu)化。近年來，在世界范圍內(nèi)，科學(xué)家們就開發(fā)先進(jìn)的微觀結(jié)構(gòu)三維表征技術(shù)進(jìn)行了不懈的努力探索，三維X-射線衍射技術(shù)的成功開發(fā)和應(yīng)用就是一個(gè)重要例子。但是這種技術(shù)的空間分辨率只能達(dá)到100納米 (1納米=百萬分之一毫米）。本次合作開發(fā)的新的三維透射電子顯微技術(shù)其空間分辨率已達(dá)到1納米，比三維X-射線衍射技術(shù)提高了兩個(gè)數(shù)量級。
這種新的三維透射電鏡表征技術(shù)是表征納米材料的理想方法，它可對組成納米材料的各個(gè)小晶體進(jìn)行精確描述，包括其各個(gè)晶體的取向、大小、形狀和在三維樣品內(nèi)的空間位置等。圖１所示的是利用這種方法得到的納米金屬鋁的三維微觀結(jié)構(gòu)特征圖的一個(gè)例子。圖中不同顏色表示不同的晶體取向，晶體的大小（從幾納米到約100納米）和形狀（伸長的或球體狀的）都清晰地顯示出來了。這些微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的精確定量測定為理解和優(yōu)化納米材料的性能提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
這一方法的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是它是一種“無損”的分析技術(shù)，即在微觀表征過程中不破壞樣品，因此它可用來研究納米材料微觀結(jié)構(gòu)在外加條件下（如加熱或變形）的演變過程，從而為研究納米材料的動態(tài)行為開辟了新的途徑。
圖1. 納米金屬鋁的三維微觀結(jié)構(gòu)特征圖清晰地顯示了樣品內(nèi)各個(gè)晶體在三維空間的形狀、大小和位置。圖中不同顏色表示不同的晶體取向。
