我國商朝時期（公元前16世紀——11世紀），釉陶和初具瓷器性質的硬釉陶便已出現。至魏晉時期（公元220—420年）我國就已完成了用高火度燒成胎質堅實的瓷器這一重大發明。 然而近代我們才對陶瓷有了更深的認識。陶瓷和金屬主要以多晶形式使用，多晶是由大量單晶組成的，稱為晶粒，它們之間的界面稱為晶界(grain boundary, GBs)。這些材料的宏觀性能，如機械強度、抗輻射損傷性能、熱電阻率和電阻率等，主要由微觀組織決定，即晶粒尺寸和GB密度。為了控制微觀結構的演變，通常使用外部刺激，如熱、應力或輻照，來激發系統到能量增加的狀態。在這個狀態下，材料退火，發生GB遷移來修改微觀組織，以達到期望的性能配置。 一般來說，大部分固態組織轉變，如晶粒長大、再結晶和相變，最終由GB遷移控制。在原子尺度上，GB遷移是由原子機制決定的。這就是原子從一個顆粒轉移到另一個顆粒的方式，這與原子GB結構的重排高度相關。 雖然許多研究都致力于分析GB原子遷移機制，但大多數研究都是基于理論方法。原子分辨率電子顯微鏡的最新發展提供了一個機會，直接可視化原子GB遷移。然而，在實驗中，追蹤單個原子或列的運動，以及在遷移過程中相關的GB結構演變仍然具有挑戰性。雖然掃描透射電子顯微鏡(STEM)具有較強的直接成像GB靜態原子結構的能力，較差的時間分辨率限制了GB遷移的動態觀測。與此同時,高分辨率透射電子顯微鏡(TEM)有一個或兩個數量級的更好的時間分辨率(10 – 100 ms)，但結構復雜的GBs的細節和他們在遷移期間的演變仍難以完全確定在原子層面上。此外，在以前的高分辨率TEM下，電子束直接均勻地照射在晶粒和GBs上。在這樣的條件下，由于GB的結構變化是由光束照射GB直接引起的，很難研究GB的內在遷移機制。 因此，需要一種新的策略來觀察原子遷移，而不需要任何光束照射。 東京大學Yuichi Ikuhara和Bin Feng（均為通訊作者）在Nature Materials上發表文章，Direct imaging of atomistic grain boundary migration，在這里，作者驅動平面GB粒子遷移的策略是只對GB附近的一個顆粒進行電子束輻照（圖1） ，通過控制GB遷移的進程，可以用一系列靜態STEM圖像構造一個定格電影來直接成像這樣的動態過程。 作者首先證明了通過控制電子束可以觸發GB在α-Al2 O3 中的遷移，并且遷移過程是完全可控的。因此，通過重復的“觸發-探測”方法對GB原子遷移的過程進行成像：首先觸發只有幾個原子列的GB遷移，然后使用高角度環形暗場(HAADF)-STEM成像，以幀的形式探測，由此給出GB原子結構的演變過程。重復這樣的“觸發-探測”方法來能夠跟蹤單個原子列的運動和GB結構的演變。
圖1. STEM下的晶界遷移實驗，電子束被控制照射到靠近GB的兩個顆粒中的一個，例如，黃色虛線框內。
Wei, J., Feng, B., Ishikawa, R. et al. Direct imaging of atomistic grain boundary migration. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-020-00879-z https://www.nature.com/articles/s41563-020-00879-z#Sec7
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