原子是物質的基本構成單元。物質的性質往往可以追溯到原子或者分子尺度。在原子尺度探索材料的微觀結構和功能是對其理解和調控的關鍵。在所有的顯微表征手段中，透射電子顯微鏡具有亞埃的分辨能力。進一步發展形成的原位透射電鏡能夠在原子分辨的基礎上實時捕捉材料中的微觀結構演變行為，為研究材料微觀結構及性質提供了直觀有效的研究手段。我們基于發展這種原位透射電鏡成像方法和原位技術，實現了功能氧化物如氧化铈中氧輸運的直觀成像，發現了系列納米限域液相合成的具有新結構的隐藏相，如具有纖鋅礦的氯化鈉和具有層狀結構的氧化铍。通過發展原位低溫冷凍電鏡方法結合低劑量電子束高分辨成像技術，我們對低溫下水冷凝成冰的結晶過程進行了原子分辨的動态捕捉，發現了在低溫襯底上優先形核生長形成的單晶純相立方冰。系列微觀機制和新材料的揭示展示了原位超高空間解析透射電鏡的微觀表征優勢和重要性。