原子是物质的基本构成单元。物质的性质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观结构和功能是对其理解和调控的关键。在所有的显微表征手段中，透射电子显微镜具有亚埃的分辨能力。进一步发展形成的原位透射电镜能够在原子分辨的基础上实时捕捉材料中的微观结构演变行为，为研究材料微观结构及性质提供了直观有效的研究手段。我们基于发展这种原位透射电镜成像方法和原位技术，实现了功能氧化物如氧化铈中氧输运的直观成像，发现了系列纳米限域液相合成的具有新结构的隐藏相，如具有纤锌矿的氯化钠和具有层状结构的氧化铍。通过发展原位低温冷冻电镜方法结合低剂量电子束高分辨成像技术，我们对低温下水冷凝成冰的结晶过程进行了原子分辨的动态捕捉，发现了在低温衬底上优先形核生长形成的单晶纯相立方冰。系列微观机制和新材料的揭示展示了原位超高空间解析透射电镜的微观表征优势和重要性。