在多孔材料研究领域，沸石分子筛是一类极其重要的功能材料。它们广泛应用于石油炼制、化工催化和气体分离等关键工业过程。其中，ZSM-5分子筛因其独特的孔道结构和优异的催化性能，被认为是现代催化工业中最成功的材料之一。然而，尽管这种材料已经被研究了几十年，其晶体内部仍然存在许多难以直接观测的微观结构特征。一个重要原因在于：传统电子显微技术往往只能获得二维投影图像，难以区分不同深度上的结构信息。
近日，华南理工大学电子显微中心张辉、韩宇联合合作单位，在Advanced Materials 期刊发表研究论文，利用多层法电子叠层衍射成像技术（multisliceelectron ptychography, MEP），在低电子剂量条件下实现了原子级横向分辨率和纳米级深度分辨率的同时获取，为研究分子筛的三维局域结构提供了一种全新的表征手段。
从“二维投影”到“三维结构”
在传统透射电子显微镜（TEM）中，电子束穿过样品后形成的图像本质上是沿电子束方向的投影信息。这意味着，来自不同深度的结构会叠加在一起，从而掩盖许多真实的局域结构细节。例如，在分子筛晶体中，表面结构、内部缺陷以及晶体界面常常难以区分。
研究团队利用近年来快速发展的基于4D-STEM的MEP技术解决这一问题。通过记录扫描过程中每个位置的完整电子衍射信息，再结合先进的重构算法，研究人员可以在计算过程中把样品划分为多个深度层，从而在重构图像中实现沿厚度方向的分层解析。这种方法可以理解为在电子显微镜中实现一种“纳米级层析成像”：不仅能看到原子在平面上的排列，还能够分辨这些原子位于晶体的哪个深度层。
在经典材料中发现新的结构信息
在本研究中，团队选择工业和学术界广泛研究的ZSM-5 沸石晶体作为模型体系。通过系统的模拟与实验优化，研究人员确定了能够实现最佳深度分辨率的实验条件，并成功获得了晶体表面及内部结构的深度分辨图像。由于沸石材料对于电子束辐照敏感，可使用的电子剂量较为有限（约3000 e/Å2）。在这样的电子剂量下，实现了大约8nm的深度分辨率。尽管深度分辨率有限，但本研究依然在这种已经被研究数十年的经典材料中，发现了一系列新的结构细节，包括：
1. 晶体表面的纳米级粗糙起伏
2. [010]/[100]交生界面中夹杂的MEL 型纳米结构域 (见图一)
3. 一种此前未被报道的晶内平面缺陷
这些结构特征在传统投影图像中往往被平均或掩盖，但通过深度分辨成像技术得以清晰呈现。
图一.(a) 显示[010]/[100] 交生结构的ZSM-5 中选取的若干 MEP重构切片。(b,c)分别为 (a)中黄色方框区域在切片 7 和切片 13 中的放大图。对应的结构模型（右）在 (b)中沿[010] 方向投影，在 (c)中沿[100] 方向投影。(d)MEP 揭示的三相交生结构示意图，由MFI-[010]、MFI-[100]和 MEL结构域组成。(e) 另一处交生区域中选取的若干 MEP重构切片及其对应的结构模型。白色方框分别标示切片3 中一个 MEL型 10 元环（10-MR）孔道和切片 9 中一个 MFI型 10 元环孔道。黑色虚线勾勒出[100] 取向晶粒与[010] 取向晶粒之间不断演变的边界。黑色矩形标出发生相变的受应变原子柱。
为什么这些发现重要？
对于多孔催化材料而言，结构的不均一性往往是决定材料性能的关键因素。晶体表面的终止结构、内部缺陷以及不同结构域之间的界面，都可能显著影响分子在孔道中的扩散行为以及催化反应的活性与选择性。
因此，能够在原子尺度直接观察这些结构，对于理解催化机理和优化材料性能具有重要意义。
本研究表明，即使在看似结构规则的晶体材料中，也可能存在复杂的三维局域结构。这些结构只有通过高分辨率、深度分辨的电子显微技术才能被真正揭示。
论文信息
Li et al.Depth-Resolved Imaging of Surfaces and Interfaces in MFI-Type ZeoliteCrystals via Multislice Electron Ptychography
Advanced Materials (2026)
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202519613