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受益于不断发展的显微学分析方法,人类对材料的微观认识日益完善。从光学显微镜到电子显微镜,显微学的技术进步直接推动了大量新物理化学现象的发现以及先进材料的研制。而今,电子显微学已是材料科学研究中最常用的微观分析方法。其中,扫描电子显微镜、特别是环境扫描电子显微镜(ESEM)的出现,更是提供了对样品(包括含水以及绝缘样品)在其天然状态下的表面微观形貌观察的可能性。相对于常规扫描电子显微镜(CSEM),环境扫描电子显微镜允许其样品室存在气体环境,从而为研究生物、有机体以及含水样品带来了前所未有的机遇。近年来,原位分析在材料科学领域已成为重要的研究方法,即对材料的动态物理化学过程进行实时观察和记录从而反应出更多的过程信息。而且,基于环境扫描电子显微镜的原位研究也在不断增多。由于水是ESEM观察中最常见的气体环境,所以,ESEM中的原位研究大致可分为以下三类:(1)水的相变过程的原位显微观察,主要指关于水在相变/润湿/运输过程中发生的形态变化的研究。(2)由于水的参与而引起的各种材料的形态变化过程的原位观察,例如材料的溶胀以及潮解、金属的腐蚀、纳米结构的制备、水泥的水化过程等。(3)无水参与的其他动态过程的原位观察,例如电池反应、二维材料和纳米材料的生长、氧化物的烧结等。在本文中,基于环境扫描电镜,我们具体研究了由于水的相变引发的一些原位过程(对应上述第一类)。具体研究内容如下:首先,针对材料表面对于水的气液相变的响应,在ESEM中原位研究了水滴对竹叶正面和背面的润湿过程及其微观动力学行为。结果表明,由于竹叶正面和背面结构存在微观差异,水滴在这两面上的生长方式表现出很大不同。进一步地,根据水滴在叶面的接触角及尺寸随时间的变化,通过对凝结过程中水滴的生长动力学分析,定量解析了竹叶两面上润湿行为的差异。这一研究中,我们利用原位ESEM方法,表征了材料表面结构与润湿行为之间的关系,为更好的理解润湿过程提供了直接的物理图像,从而在材料表面设计及仿生材料的制备及研究等方面上具有重要意义。而后,我们对水蒸气凝华成冰这一过程中冰晶形貌的演变进行了原位ESEM研究。结果表明,在过冷及过饱和的水蒸气环境中,冰晶的生长依赖于一层层台阶的形成,而这些台阶的产生主要来源于初始台阶和螺旋位错。并且,通过实验数据拟合,依据冰晶边长与生长时间的关系,进一步定量分析了六边形冰晶的生长动力学行为。这一研究表明,基于环境扫描电镜的原位过程定性和定量研究对于重要物理化学变化(尤其是同时涉及两相或多相变化)的过程分析,具有重要的意义。