作为能够直接解析亚微米单晶结构的先进手段，三维电子衍射技术已被广泛用于各种功能材料和蛋白质等的结构分析。在实际情况下，物质所处的环境条件以及制样方式都对其结构产生影响，而应用电子衍射技术进行结构解析和数据收集通常在电镜高真空环境下进行，这就给物质结构和结构-性能关系的判定带来了不确定性。为解决这个问题，上海科技大学物质科学与技术学院马延航课题组开发了环境三维电子衍射技术，在数据收集时引入了低温、加热、气体和液体等各种环境条件，该工作对于追踪物质相变和反应动力学等有着重要的科学意义，相关系列成果近期发表在期刊Chemistry of Materials和Nature Communications上。
第一项工作研究了氧化钒（VO2）晶体的金属-绝缘体转换(MIT)现象。通过原位加热收集不同温度条件下VO2的三维电子衍射数据并解出对应的晶体结构，研究人员可以在原子级水平追踪其结构随着温度的可逆变化，包括空间群对称性的改变以及VO6八面体的变形。此外，在常温的单斜相结构中，研究人员观察到了沿a轴4次旋转对称的局域结构。相变也被原位高分辨率TEM成像及电子衍射谱跟踪证实。
相关工作发表于期刊Chemistry of Materials，马延航课题组博士后吴诗韬和上科大Osamu Terasaki课题组吉林大学访问博士研究生李俊延为该论文的共同第一作者，常任副教授马延航为论文的通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。Osamu Terasaki教授为本研究提供了学术指导，物质学院电镜平台和分析测试中心提供了大力支持。
图1. 原位变温三维电子衍射用于研究VO2晶体的相变
第二项工作实现了柔性框架材料在不同环境刺激下的响应性结构解析。研究人员以典型的柔性金属有机框架(MOF)材料MIL-53为例，展现环境三维电子衍射技术在原子尺度解析不同条件下（低温、加热、气体和液体）的动态结构以及主客体相互作用。MIL-53是一种吸附性材料，具有从气氛或者溶液吸附客体分子，并形成特定的新结构的能力。由于这类材料对所处环境高度敏感，尤其是电镜的高真空条件或温度改变可能会导致客体分子的部分或完全脱离。因此，结合原位透射电镜和三维电子衍射技术，在特定环境条件下精准地判定晶体的特定吸附结构，对于研究吸附动力学十分重要，为吸附性功能材料的开发和改进提供了指导。
图2. 不同环境条件下的MIL-53颗粒图像、三维电子衍射数据沿(a-c)[010]和(d, e)[001]方向的投影以及结构示意图
相关工作近期发表于期刊Nature Communications，马延航组博士研究生凌旸和孙凸为该论文的共同第一作者，常任副教授马延航为论文的通讯作者，上海科技大学为唯一完成单位。该工作得到了Osamu Terasaki教授、物质学院张青，蒋亦岚、陈照熙和余娜等老师的技术指导。物质学院电镜平台，分析测试中心和iHuman生物电镜平台提供了大力支持。
论文1标题：
In Situ Three-Dimensional Electron Diffraction for Probing Structural Transformations of Single Nanocrystals
论文1链接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c01744
论文2标题：
Atomic-level structural responsiveness to environmental conditions from 3D electron diffraction
论文2链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-34237-1
