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DENSsolutions 原位样品杆：2025 精选十篇顶刊的隐形功臣，Nature/AM 都在用！
作者：复纳科技
产品： Arctic, Stream, Climate, Lightning, Wildfire
关键词：DENSsolutions，TEM 原位样品杆，复纳科技，透射电镜原位实验，Nature
日期：2026-03-06
2025年，DENSsolutions 全球用户继续在原子尺度的世界里开疆拓土。他们以问题为起点，以实验为路径，在能源转换、催化反应、自旋电子、相变存储与软物质自组装等前沿领域不断突破边界。
这一年的成果，不仅闪耀于 Nature、Nature Communications、Advanced Materials、Nano Letters 等顶级期刊，更代表着材料科学研究范式的持续演进。本期，我们精选 10 篇基于 DENSsolutions 原位样品杆发表的代表性研究成果（2025 年收录，排名不分先后），从应用方向出发，与您一同回顾这一年的高光时刻，也见证材料科学迈向“动态机制时代”的坚定步伐！
Part.1 催化
标题：Periodic one-dimensional subsurface channels induced by ordered oxygen vacancies on CeO2 (110)
发表期刊：Nature Communications
文章中使用产品型号：DENSsolutions Wildfire 加热杆
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-61335-7
文章概要
氧空位（VO）的分布与相互作用从根本上决定了金属氧化物的物化特性。尽管 CeO2 因其卓越的储放氧能力在高温工业催化中备受瞩目，但高温下复杂且难以预测的氧空位行为仍是亟待攻克的科学难题。浙江大学王勇&张泽团队利用原位 STEM 结合压缩感知辅助的团簇展开（CE）模型，研究了在真空高温环境中 CeO2 (110) 表面的原子形貌和氧空位缺陷构型的演变。
原位加热过程表明，高温（900 °C）下 CeO2 (110) 表面会自发形成一种由有序氧空位分布驱动的周期性一维亚表面通道结构。还利用蒙特卡洛模拟及第一性原理计算（DFT）分析了该重构通道结构中的组态稳定性及质子吸附/传输特性。计算的结果表明，相邻氧空位间的强排斥作用驱动了其有序化并有效释放了局部应力，且被占据的 O 2p 与未占据的 Ce 4f 带心之间的较大带隙进一步稳定了该结构。全面的热力学和电子结构分析涵盖了从单氧空位偏聚、多体团簇排斥到最终形成一维亚表面通道的整个微观演变过程。上述技术及策略可产生原子级的原位界面图像和明确的缺陷构型预测信息，可用于评估定向质子传输机制并指导先进催化和能源应用中金属氧化物的氧空位行为调控。
借助 DENS Wildfire 原位加热杆，科学家可以在 TEM 中对金属氧化物材料进行精准的高温加热，进而研究在原子尺度下氧空位缺陷的动态演变与表面重构过程。
标题：
Operando TEM study of a working copper catalyst during ethylene oxidation
发表期刊：Nature Communications
文章中使用产品型号：DENSsolutions Climate 气相杆
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57418-0
文章概要
用于乙烯环氧化制备环氧乙烷的工业催化剂通常面临选择性低和易失活的挑战。福州大学黄兴团队报道了一种基于铜（Cu）催化剂的动态体系，利用原位透射电镜技术揭示了其在真实反应条件下的结构演变。该催化剂在乙烯氧化反应中表现出优异的环氧乙烷选择性，并能通过动态相变有效抑制积碳导致的失活。
研究表明，在反应条件下，Cu 催化剂并非保持单一相态，而是经历金属 Cu⁰与氧化Cu₂O 之间的动态振荡。机理研究表明，金属 Cu⁰ 核与氧化 Cu₂O 壳层的界面是核心活性位点，而非单纯的金属或氧化物相。在中温区（600-800°C）的振荡状态下，部分还原的氧化物（含有氧空位）降低了活化能，有利于环氧乙烷的形成。这种独特的界面结构优化了反应中间体的吸附能，促进了乙烯的高效活化，同时利用表面晶格氧及时清除积碳前驱体，从而在高温苛刻条件下维持了催化剂的高活性与长周期稳定性。
借助 DENSsolutions Climate 原位气氛加热杆，科学家可以突破传统电镜的高真空环境限制，在原子尺度下直接“录制”了复杂气固界面处的剧烈相变与反应动态，真正实现了从静态表征向原位动态探索的跨越。
标题：Operando TEM Study of Partial Oxidation of Methane Over Pd Nanoparticles
发表期刊：Advanced Science
文章中使用产品型号：DENSsolutions Climate 气相杆
原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202507303
摘要
用于甲烷部分氧化（POM）制备合成气的工业催化剂通常面临活性相归属不清及高温下易失活的挑战，且常依赖贵金属或复杂的氧化物载体。新加坡国立大学 Utkur Mirsaidov 团队报道了一种基于钯（Pd）纳米颗粒的动态催化体系，利用原位透射电镜技术揭示了其在真实反应条件下的结构演变。该催化剂在 混合气流中表现出优异的合成气产率，并能通过动态相变有效抑制积碳导致的失活。
研究表明，在反应条件下，Pd 纳米颗粒并非保持单一相态，而是经历金属 Pd 与氧化 PdO 之间的快速可逆相变。机理研究表明，金属 Pd 核与氧化 PdO 壳层的界面是核心活性位点，而非单纯的金属或氧化物相。这种独特的界面结构不仅优化了反应中间体的吸附能，促进了甲烷的高效活化，还利用表面晶格氧及时清除积碳前驱体，从而在高温苛刻条件下维持了催化剂的高活性与长周期稳定性。
借助于 DENSsolutions Climate 原位气相系统，研究团队突破了高真空限制，在原子尺度下探究，为解析催化剂在反应过程中的结构演变、相变行为及活性位点动态演化提供了新方案。
标题：Interstitial nitrogen-engineered square-planar Ni surfaces enabling efficient hydrogenation
发表期刊：Acta Materialia
文章中使用产品型号：DENSsolutions Climate 气相杆
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.121954
文章概要
非贵金属催化剂的性能突破高度依赖于表面构型与电子态的协同优化。然而，现有策略极难在连续的扩展晶面上同时实现原子级配位控制与电子结构重构。为此，中科院金属所张炳森和牛一鸣团队，利用原位气氛加热透射电镜结合密度泛函理论，通过设计反钙钛 Ni₃CuN 纳米催化剂并探究表面动态演变规律。原位成像表明，在氨气诱导下Ni₃Cu 合金的高指数晶面发生各向异性收缩，最终重构为由 {100} 晶面主导的纳米立方体，并暴露出被间隙氮规则配位的平面四边形 Ni 活性位点。还利用原位谱学与理论计算分析了该演变背后的物理化学机制。结果表明，间隙氮的引入显著降低了 {100} 晶面表面能从而驱动刻面重构；同时，氮配位使表面Ni呈现局域“缺电子”态，这种均一的几何与电子构型有效抑制了过度加氢等副反应。全面的原位原子级形貌与热力学分析涵盖了从间隙原子渗入、晶面退化到稳定立方体成型的整个动态重构过程。上述间隙原子工程策略将乙炔半加氢选择性从 25.5% 激增至 80.1%。
借助 DENSsolutions Climate 原位气相杆，科学家可以在 TEM 中对纳米催化材料进行原位反应气氛加热，从而在原子尺度研究其表面重构过程和活性位点演变，为设计具有更高选择性和稳定性的非贵金属催化剂提供新思路。
Part.2 光伏
标题：Iceberg-like pyramids in industrially textured silicon enabled 33% efficient perovskite-silicon tandem solar cells
发表期刊：Nature Communications
文章中使用产品型号：DENSsolutions Wildfire 加热杆
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62389-3
文章概要
钙钛矿/硅串联太阳能电池作为提升光伏效率的前沿技术已被广泛研究，但在工业制绒硅（ITS）上克服深谷导致的界面接触损耗，值得深入探究。
浙江大学余学功/杭鹏杰/杨德仁团队利用二氧化硅（SiOX）纳米球构建局部亚微米接触，研究了工业制绒硅基底上“冰山状”金字塔形貌及物理界面的演变。涂覆过程表明，SiOX 纳米球在金字塔谷底的有效填充不仅促进了空穴选择层（2PACz）和溶液法钙钛矿层的完全覆盖，还保留了基底优异的陷光特性。还利用电子束诱导电流（EBIC）和时间分辨光致发光（TRPL）分析了亚微米局部接触结构下钙钛矿薄膜的载流子动力学特性。EBIC 和 TRPL 的结果表明电荷载流子提取能力显著增强，且界面非辐射复合损失大幅下降。全面的光电和结构分析涵盖了从局部接触构建、能带调节到钙钛矿大晶粒生长的整个协同优化过程。上述策略可产生高达 33.15% 认证效率的单片串联太阳能电池及卓越的高温稳定性信息，可用于评估和推动工业级高效光伏器件的商业化进程。
借助 DENS Wildfire 原位加热杆，科学家可以在 TEM 中对钙钛矿太阳能电池材料进行精准加热，进而研究其在高温环境下的微观结构演变与热稳定性机制。
Part.3 电子/自旋电子材料
标题：Electrically driven long-range solid-state amorphization in ferroic In2Se3
发表期刊：Nature
文章中使用产品型号：DENSsolutions Lightning 热电杆
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08156-8
文章概要
电驱动固态非晶化是开发极低功耗相变存储器件的理想途径，但在铁性半导体中激发并控制该相变仍是未解难题。为此，宾夕法尼亚大学 Ritesh Agarwa 团队，利用原位偏置透射电镜结合密度泛函理论，探究了全新铁电In2Se3纳米线在直流电场下的固态非晶化演变规律。原位电学成像表明，直流电场会引发晶体内部的面内极化旋转与层间滑移，累积的电致缺陷促使结构局部崩塌，并伴随声子跃动（acoustic jerks）迅速蔓延，触发罕见的微米级长程非晶化。还利用计算模拟分析了该非常规相变背后的多模态耦合机制。结果表明，外加电场、载流子风力与压电应力发生了强烈的协同耦合，剧烈的应变场涨落使系统进入“阻挫”构型，最终驱动了非晶相的大规模成核。全面的原位形貌与热力学分析涵盖了从极化偏转、层间滑移失序到长程非晶化爆发的整个电致相变过程。上述多模态耦合的相变调控策略拓展了传统认知，可用于指导和设计新一代极低功耗的微电子与光子学器件。
借助 DENS Lightning 原位热电杆，科学家可以在 TEM 中给铁性半导体材料施加精确的直流电场，进而研究由极化旋转与层间滑移触发的固态非晶化相变动力学过程。
标题：Atomistic Mechanisms Triggered by Joule Heating Effects in Metallic Cu-Bi Nanowires for Spintronics
发表期刊：Advanced Materials
文章中使用产品型号：DENSsolutions Lightning 热电杆
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202513602
文章概要
掺铋铜（Cu-Bi）纳米合金因具备巨自旋霍尔效应，是开发下一代自旋电子器件的理想材料，但其在电流驱动下因焦耳热引发的结构失稳与元素偏析仍是制约实际应用的物理难题。为此，马德里康普顿斯大学 Maria Varela 团队，利用原位高分辨扫描透射电镜（STEM）结合密度泛函理论（DFT），探究了高掺杂 Cu-Bi 纳米线在焦耳热作用下的原子级动态演变规律。
原位热电测试成像表明，当温度超过 250 °C 时，大尺寸的 Bi 原子会从致密的 Cu 晶格中脱溶并向晶界或纳米线尖端表面迁移，在 {320} 面上形成单原子层的有序重构，并在 400 °C 下最终析出纯 Bi 纳米晶。还利用第一性原理计算分析了该掺杂体系的本征稳定性机制。结果表明，高浓度 Bi 的析出是系统降低能量的必然趋势，但在剧烈热激活与偏析后，晶粒内部仍能稳定保留约 1% 的替代位 Bi 杂质。全面的原位原子级形貌与热力学分析涵盖了从元素脱溶、表面单层重构到纯相纳米晶成核的整个热致偏析过程。上述揭示的热退化机制与微观演变规律界定了材料的安全工作边界，可用于指导和设计基于高稳定自旋电荷转换的新一代自旋电子器件。
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借助 DENS Lightning 原位热电杆，科学家可以在 TEM 中给纳米合金材料施加驱动电流，进而研究由焦耳热触发的原子级元素偏析与结构重构的动态演变过程。
Part.4 二维材料
标题：Direct Observation of Dipole Formation Triggered by Interlayer Sliding at Atomic Level in Semimetal MoTe2
发表期刊：Nano Letters
文章中使用产品型号：DENSsolutions Lightning Arctic 冷冻杆
原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c02590
文章概要
二维滑移铁电材是开发超低功耗非易失性存储器件的理想载体，但在原子尺度下实时捕捉由低温触发的层间滑移现象及其极化形成机制，仍是极具挑战的物理难题。为此，武汉理工大学吴劲松团队，利用原位低温扫描透射电镜（cryo-(S)TEM）结合密度泛函理论（DFT），探究了半金属MoTe2 在深低温环境下的层间滑移与动态相变规律。
原位低温成像表明，随着温度骤降（300 K 至 110 K），非极性1T’相基体内会自发触发层间剪切位移，逐步成核并生长出局域的极性Td相，最终在 110 K 时演变为一种长程无序但局域有序的1T'/Td混合堆垛构型。还利用计算模拟深入分析了该结构演变背后的热力学机制。结果表明，温度驱动的结构相变存在两条极低的层间滑动能垒路径（仅为 2.7 和 5.3 meV/u.c.），这种微小的势垒打破了系统原本的空间反演对称性，从热力学上极大促进了层间定向滑移与极化偶极子的快速重构。全面的原位原子级形貌与理论能垒分析涵盖了从相畴壁演化、层间剪切滑移到局部极化建立的整个低温相变过程。上述揭示二维材料滑移诱导极化效应的微观机制，可用于指导和设计基于滑移铁电的新一代非易失性存储器与超低功耗逻辑晶体管。
借助 DENSsolutions Arctic 原位冷冻加热杆，科学家可以在 TEM 中对二维材料进行精确的深低温控制（低至 110 K 及以下），从而在原子尺度下实时捕捉由低温触发的层间剪切滑移与极化相变动力学过程。
Part.5 电化学与高分子自组装材料
标题：Designing polymersomes with surface integrated nanoparticles through hierarchical phase separation
发表期刊：Nature Communications
文章中使用产品型号：DENSsolutions Stream 液相杆
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57711-y
借助DENS Stream 液相杆的原位动态观测技术不仅解决了聚合物囊泡表面功能化难题，还揭示了液-液相分离在自组装过程中的关键作用，为设计具有特定拓扑结构和多功能性的纳米载体提供了新思路。
标题：Direct visualization of a temperature‑induced shift in electroplating mechanism via in situ liquid phase TEM
发表期刊：MRS Advances
文章中使用产品型号：DENSsolutions Stream 液相杆
原文链接：https://doi.org/10.1557/s43580-025-01454-x
文章概要
用于电镀技术的纳米尺度机制研究长期面临动态观测难题，尤其是温度对电镀路径的影响缺乏直接实验证据。DENSsolutions 团队利用 MEMS 基原位液相 TEM 平台，首次在真实电化学条件下直接可视化了温度对铅电镀机制的调控作用。在室温下，铅电镀表现为成核主导的枝晶生长，形成细密网络；而在 60°C下，电镀机制转变为生长主导的结晶过程，产生大而有面的颗粒。尽管电荷转移量相似，但形貌差异显著，揭示了温度通过加速离子扩散和表面扩散，促进现有晶核生长而非新核形成。这一发现不仅建立了温度控制电镀机制的通用框架，还为抑制金属阳极电池中的枝晶生长提供了关键机制见解，对先进电池系统设计具有重要指导意义。
DENSsolutions Stream液相杆作为原位液相电镜技术推动了催化、电化学、能源存储等方向从“静态结构分析”向“动态机制解析”的范式升级，为设计高稳定性电极材料、抑制枝晶生长等关键工业问题提供了不可替代的实证基础。
回望 2025 年的探索之旅，我们见证了材料在温度、电场、气氛与液相环境中的每一次微观演变。从能源材料到催化体系，从二维材料到软物质自组装，每一项研究成果都记录着科学家在原子尺度世界中的不懈探索。在这些突破背后，DENSsolutions TEM 原位样品杆正帮助研究者更真实地理解材料“如何工作”。未来，我们也期待更多创新研究在这里诞生，共同推动材料科学迈向新的高度。
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