AI解读清华大学谷林教授发表在Eng. Transform. Mater.(工程.变革性材料)的前瞻性论文:变革透射电子显微镜适应性助力变革性材料发展

原文题目：Transforming TEM Adaptiveness for Transformative Materials Development

文章链接：https://journal.hep.com.cn/etm/EN/10.2738/ENGTM.2026.0003

Cite this article:

Yi-Chi Wang, Lin Gu. Transforming TEM Adaptiveness for Transformative Materials Development. Eng Transform Mater, 2026, 10.2738/ENGTM.2026.0003.

文章DOI：10.2738/ENGTM.2026.0003

研究背景

透射电子显微镜（TEM）长期以来聚焦于提升空间分辨率，已实现亚埃级成像。然而，当应用于真实世界中的功能陶瓷、航空航天合金、催化体系等动态、电子束敏感、且在复杂环境条件下运行的材料时，单纯追求高分辨已面临收益递减。这类材料亟需超越静态、理想化成像的表征能力，推动TEM从“分辨率革命”向“适应性革命”范式转变。

研究方法

所提出的“适应性革命”包含两大协同支柱：材料适应性与知识适应性。

材料适应性
通过三方面拓展TEM对多元材料与运行环境的适配能力：（i）基于多信号融合的全信息成像；（ii）覆盖飞秒至秒时间尺度与三维空间的时空多维成像；（iii）在热、电、力等多场耦合条件下的原位/工况成像。
知识适应性
通过将专家经验封装为自动化工作流，实现智能自动化、远程操控与云平台调度，从而降低技术门槛、普及TEM应用。

图1 TEM适应性发展的系统路线图

研究实例

该框架通过三大变革性材料体系的先进TEM应用予以验证：（1）功能陶瓷：在电场与热场下研究锆钛酸铅（ZrO₂）铁电体的畴壁动力学与氮化铝/碳化硅（AlN-SiC）界面声子输运；（2）高强度结构材料：开展原位拉伸实验，观测La₂O₃/Mo陶瓷中位错传递与晶界滑移；（3）能源催化材料：利用液/气相TEM追踪锂硫（Li–S）电池中反应中间体及二硫化钼（MoS₂）合成中的成核路径。各案例均整合多模态信号、动态成像与环境精准调控。

图2 先进TEM在功能陶瓷研究中的突破性案例

实例分析

在ZrO₂铁电体中，叠层衍射（ptychography）揭示带电一维畴壁及其由氧离子迁移驱动的运动，首次建立铁电翻转与离子输运的直接关联；
对La₂O₃/Mo陶瓷，原位TEM证实“位错借用”机制，实现39.9%拉伸延展率，突破其本征脆性限制；
在Pt双晶中，原子尺度追踪发现Lomer锁控制的晶界滑移机制；
在Li–S电池中，液相TEM直接可视化活性中心诱导的Li₂S成核，绕过传统分步路径；
对MoS₂生长，环境TEM捕获非晶前驱体阶段与定向附着过程，证实多步成核机制。上述结果共同印证：唯有依托动态、多环境、多模态成像，方能揭示材料的功能机制。
图3 高强结构材料中的原位力学TEM研究

核心要点

范式转变：从“分辨率革命”转向“适应性革命”。
材料适应性：支撑全信息成像、时空多维成像与复杂环境原位/工况成像。
知识适应性：通过AI驱动的工作流自动化、专家知识封装与云平台接入，实现普惠化使用。
关键技术支撑：直接电子探测器、多信号融合、4D-STEM、原位样品台、AI辅助分析、云平台。
影响：加速能源、环境、健康与信息技术领域变革性材料的研发与部署。

图4 能源催化材料中的原位TEM追踪动态过程

论文评述

本综述提出了一条面向TEM未来的前瞻性路线图，立足当前技术趋势与紧迫科学需求。它有力批判了以分辨率为中心的发展局限，并构建了结构清晰、双轴协同的升级框架，以增强TEM在现实场景中的实用价值。文中对前沿硬件、算法创新与AI驱动自动化的整合论述严谨，辅以具说服力的典型案例。尽管目标宏大，但所提“适应性革命”在技术上切实可行，且与电子显微学及人工智能领域的实际进展高度契合。

总体结论

TEM的“适应性革命”——涵盖材料与知识双重维度——将推动原子尺度表征技术，从一种小众、高度依赖专家经验的手段，转变为广泛可及、高通量、环境响应性强的通用工具。通过先进成像、智能自动化与云基础设施的深度融合，TEM将在加速变革性材料发现与应用、应对全球性挑战中发挥关键作用。

十问十答

Q1： 传统TEM“分辨率革命”的主要局限是什么？A1： 在理想条件（超薄、稳定、洁净样品）下实现的超高分辨率，往往无法适用于真实材料——因其电子束敏感、动态演化或处于复杂环境，导致技术能力与实际需求之间日益脱节。
Q2： TEM“适应性革命”包含哪些内涵？A2： 是从单一追求更高分辨率，转向全面提升TEM适应能力的范式转变，涵盖两个维度：材料适应性（拓展至多样材料与复杂环境）与知识适应性（借助自动化与AI实现普惠化）。
Q3： 材料适应性如何实现全信息成像？A3： 依托硬件进步（如直接电子探测器、大立体角硅漂移探测器）与算法融合，同步集成ADF、EDX、EELS、DPC、AES等多种信号，实现原子分辨率下结构、化学、电子与声子信息的一体化映射。
Q4： 时空多维成像的关键组成有哪些？A4： 包括三维原子断层成像、秒至飞秒级时间分辨成像，以及空—时数据融合，用于捕捉相变、位错运动、电荷密度波等动态过程。
Q5： 复杂环境成像如何支撑真实材料研究？A5： 借助原位/工况技术（如加热、加电、液/气相池、力学加载），模拟电池、催化剂、航空合金等的实际服役条件，实现多场耦合下材料行为的直接观测。
Q6： 知识适应性在TEM普惠化中起何作用？A6： 将专家经验固化为自动化工作流，使非专业用户可“一键成像”；并利用AI实现参数优化、缺陷识别与数据分析，显著降低操作门槛。
Q7： 智能自动化如何提升TEM使用效率？A7： 支持高通量筛选、分级分析（快速扫描→精确定点成像）及闭环“采集—识别—评估”流程，提升数据质量、统计显著性与科学发现效率。
Q8： 云平台TEM运行有何意义？A8： 实现远程访问、智能排程与集中数据处理，支持“次日即验证”假说，并构建协作网络，最大化稀缺高端仪器的利用效能。
Q9： 本文如何体现先进TEM在功能陶瓷中的影响？A9： 直接成像ZrO₂中带电一维畴壁，以及AlN-SiC界面亚纳米级声子图像，揭示铁电性与离子输运的耦合机制，及界面热阻的不对称性。
Q10： 本文对催化研究中TEM的未来方向有何展望？A10： 展望结合飞秒时间分辨与三维原子成像，捕获瞬态反应中间体；同时开展全信息探测（活性位点结构与电子态），通过直接动态观测推动理性催化剂设计。
作者及研究团队简介

谷林，清华大学教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者（2020），从事电子显微学方法研究20余年。近年来在功能材料原子尺度结构与电子结构研究方面取得系列成果。发表SCI论文1000余篇（Nature、Science正刊20篇，子刊120余篇），他引120000余次，h因子>190，多次入选科睿唯安全球高被引科学家。曾获国际电子显微学联合会青年科学家奖(2006);国际锂电池学会青年科学家奖(2012);中国科学院杰出科技成就奖（2013）;基金委优秀青年科学基金和国家万人计划青年拔尖人才(2015);教育部长江学者奖励计划青年学者(2016);中国晶体学会青年科技奖（2018）；第十六届中国青年科技奖特别奖（2020）；北京市自然科学一等奖（2022）。

王祎驰，北京科技大学特聘副教授。2023年入选清华大学水木学者，合作导师谷林教授。2020年博士毕业于曼彻斯特大学，博士导师电子显微学专家、欧洲杰青（ERC Consolidator）获得者Sarah Haigh教授。主要从事原位与多维透射电子显微学研究。主持国家自然科学基金、中国博士后基金等多项项目。以第一/共一作者身份在Nat. Commun., JACS, Angew, Nano Lett., Small, Ultramicroscopy等期刊发表论文14篇；授权国家发明专利1件。曾获国家留学基金委、英国显微学会、英国物理学会、欧洲显微学会等奖励资助。

<Engineering Transformative Materials>期刊简介

《工程.变革性材料》致力于发表具有“变革性”意义的材料科学前沿突破，聚焦于能够重塑科技边界、重构产业格局、并为应对全球性挑战提供颠覆性解决方案的材料创新。本刊旨在成为该领域高水平学术交流的旗舰平台，不仅关注材料性能的极致提升，更强调通过材料的创新突破，催生跨学科的技术融合与系统性的产业变革。

期刊网站：https://journal.hep.com.cn/etm

投稿系统：https://mc.manuscriptcentral.com/engtm

近期发表论文目录：

1.Mukun He, Junwei Gu，Tunable Low-Frequency Microwave Absorption and Thermal Management through In-Situ Confined Growth of Alloys within Aramid Nanofibers, Eng. Transform. Mater., DOI:10.2738/ENGTM.2026.0001

2.Jian Luo, Ultrafast Sintering, Eng. Transform. Mater., DOI：10.2738/ENGTM.2026.0002

3.Yi-Chi Wang, Lin Gu. Transforming TEM Adaptiveness for Transformative Materials Development, ENG. Transform. Mater., DOI:10.2738/ENGTM.2026.0003

4.Lei Lu, High Performance of Metallic Materials with Ordering Units, Eng. Transform. Mater., DOI:10.2738/ENGTM.2026.0004

5.Runjian Jiang,Elisa Torresani,Wenwu Xu,Andrii Maximenko,Eugene A. Olevsky, Electric Nanosecond Pulsing Assisted Sintering as a Transformative Paradigm for Non-Equilibrium Processing of Powder Materials, Eng. Transform. Mater., DOI:10.2738/ENGTM.2026.0005

6.Yongliang Li, Chengdong Tao, Zhenggang Pan, Xingwen Tang, Yan Li, Ji Zhou, Chuanbao Liu, Yang Bai. Deep Learning-Empowered Inverse Design of Metasurfaces for Tailored Superchiral Fields and Enhanced Chiral Sensing. Eng. Transform. Mater., DOI:10.2738/ENGTM.2026.0008