在“月塵”中尋寶
——月壤研究背后的故事

楊蔚研究員在充氮無(wú)氧手套箱中解封第一批嫦娥五號(hào)月球科研樣品（任暉 攝）

48人小組、7天完成實(shí)驗(yàn)、16天投出第一篇論文……

10月19日，中國(guó)科學(xué)院發(fā)布了對(duì)嫦娥五號(hào)月球科研樣品取得的最新研究成果，這是首批由我國(guó)科學(xué)家主導(dǎo)獨(dú)立完成的嫦娥五號(hào)月球科研樣品研究成果。成果主要完成人之一、中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所（下稱“地質(zhì)地球所”）研究員李獻(xiàn)華院士的話語(yǔ)中隱隱透著驕傲和自豪：“所有的研究都是在我們所完成的，這充分說(shuō)明了我國(guó)的科研實(shí)力和創(chuàng)新能力。”

地質(zhì)地球所和國(guó)家天文臺(tái)主導(dǎo)，聯(lián)合多家研究機(jī)構(gòu)通過(guò)3篇《自然》論文和1篇《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》論文，報(bào)道了圍繞月球演化重要科學(xué)問(wèn)題取得的突破性進(jìn)展。其中，3篇《自然》論文于北京時(shí)間10月19日同期上線。

研究證明，嫦娥五號(hào)月球樣品為一類新的月海玄武巖，對(duì)著陸區(qū)巖漿年齡、源區(qū)性質(zhì)給出全新的認(rèn)識(shí)，月球最“年輕”玄武巖年齡為20億年，其晚期巖漿活動(dòng)的源區(qū)并不富集放射性元素，并且月幔源區(qū)幾乎沒(méi)有水。

而這些研究成果的背后，科研人員的“原材料”僅為地質(zhì)地球所一共獲得的5克樣品。這些樣品是如何被研究的？讓我們看看月壤研究背后的故事。

奔月前布下的“棋陣”

要解決科學(xué)問(wèn)題，首先得有研究對(duì)象，而研究月球最好的對(duì)象之一，就是“月壤”。

中國(guó)科學(xué)院院士、嫦娥工程顧問(wèn)歐陽(yáng)自遠(yuǎn)在談及“月壤”重要性時(shí)說(shuō)：“‘抓土’是有講究的，嫦娥五號(hào)可不是隨便抓了一把土回來(lái)。”

我國(guó)在2004年開(kāi)啟的探月工程——嫦娥工程布局了“繞”“落”“回”三步走戰(zhàn)略。嫦娥一號(hào)、嫦娥二號(hào)實(shí)現(xiàn)了“繞”月；嫦娥三號(hào)實(shí)現(xiàn)了“落”月，嫦娥四號(hào)實(shí)現(xiàn)了月球背面的軟著陸；2020年著陸在月球風(fēng)暴洋西北處呂姆克山附近的嫦娥五號(hào)，則成功完成我國(guó)首次地外天體采樣返回任務(wù)，拿回了備受矚目的“月球土特產(chǎn)”。

在此處采集“月壤”，可是大有講究。歐陽(yáng)自遠(yuǎn)表示，選擇在風(fēng)暴洋“抓土”，就是“希望對(duì)于月球距今30億年以來(lái)的歷史，增添一些我們中國(guó)科學(xué)家的突破和貢獻(xiàn)”。他們相信，此地有著月球上最晚形成的玄武巖，而月球“晚年生活”的故事，就藏在里面。

可以說(shuō)，這是在嫦娥五號(hào)奔月之前，就已經(jīng)布好的“棋陣”。

這邊廂，嫦娥五號(hào)在月球精準(zhǔn)“抓土”，那邊廂，38萬(wàn)公里之外的地球人實(shí)驗(yàn)室里，則在有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)能匹配月球研究課題的關(guān)鍵技術(shù)。

為有朝一日能破解月球的奧秘，科學(xué)家們摩拳擦掌。李獻(xiàn)華介紹，自1999年開(kāi)始，中國(guó)科學(xué)院便面向地球與行星科學(xué)，著手建設(shè)微區(qū)原位分析測(cè)試平臺(tái)。技術(shù)儲(chǔ)備就緒，他們開(kāi)始“盼星星，盼月亮”。

怎樣盡可能保證樣品的“純凈”

地質(zhì)地球所研究員楊蔚說(shuō)：“月壤暴露在空氣中會(huì)受到污染，我們?cè)谘芯恐幸M可能避免污染、盡可能使用無(wú)損分析方法或超微量有損分析，同時(shí)還要具有高空間分辨能力，保障研究結(jié)果的準(zhǔn)確。”

楊蔚介紹了研究所月球樣品潔凈室的千級(jí)超凈間，其中放置了3套充滿高純氮?dú)獾氖痔紫洹Ｔ氯谰褪窃谶@里被儲(chǔ)存、處理和分析。為避免空氣污染，科研人員在手套箱中進(jìn)行操作。

此前在中國(guó)國(guó)家博物館拍攝的月球樣品（新華社 金良快 攝）

嫦娥五號(hào)部分月壤樣品（圖/中國(guó)科學(xué)院科學(xué)傳播局科技攝影聯(lián)盟）

“我們要控制與樣品接觸的氣體，試劑和固體材料。”楊蔚介紹，因?yàn)樵虑蛏纤繕O低，也沒(méi)有氧氣，“我們要保證手套箱中水和氧氣的含量低于百萬(wàn)分之一。”他的語(yǔ)氣中略有遺憾，“不過(guò)只要對(duì)樣品進(jìn)行研究，就不可避免地會(huì)有損耗，無(wú)論是在分選月壤顆粒時(shí)，還是使用儀器分析時(shí)。”

樣品比塵埃更細(xì)，怎么找到那顆“最有故事”的月壤

月壤樣品更像是一把灰塵，“嫦娥五號(hào)取得的月壤非常細(xì)，均值只有60微米，比阿波羅登月取得的月壤還要細(xì)。”李獻(xiàn)華伸出手掌，吹了口氣，“這樣吹口氣就沒(méi)了。”

每一粒月壤都很珍貴，但對(duì)科學(xué)研究來(lái)說(shuō)，每一粒月壤研究的問(wèn)題都不同，怎樣才能找到那粒“最有故事”的月壤顆粒？李獻(xiàn)華說(shuō)，比如地質(zhì)科學(xué)研究上最重要的定年礦物，“我們采用放射性同位素方法定年，最好的樣品就是含鋯的顆粒，如何挑出最合適的樣品成了關(guān)鍵。”

地質(zhì)地球所所長(zhǎng)吳福元院士“隆重”介紹了所里的“秘密武器”——技術(shù)員馬紅霞。她有一雙獨(dú)特的巧手，能快速自如地操控每一顆細(xì)如塵埃的樣品。“我們所一直從事地質(zhì)研究，這樣的技術(shù)員是在我們所鍛煉出來(lái)的，也是所里的‘寶貝’，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)遇到分離樣品的難題時(shí)，都要向我們借人。”只要將合適的顆粒挑選出來(lái)制備成好樣品靶，后面的事情就可以交給儀器去做了。

同樣的樣品怎么做出最好的研究

月球樣品極其珍貴，不僅要有借有還，更要最大限度地減少損耗。李獻(xiàn)華說(shuō)：“當(dāng)時(shí)我們團(tuán)隊(duì)借了3克樣品，還了2.85克。僅消耗0.15克，我們就完成了第一批研究任務(wù)。”

如何用最少的樣品做出最好的結(jié)果，在同行競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出？

吳福元說(shuō)，這既得益于地質(zhì)地球所的科學(xué)積累，更得益于“技術(shù)先行”的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。“地質(zhì)學(xué)科是一門(mén)與實(shí)驗(yàn)聯(lián)系極其緊密的學(xué)科，我們所建立了通用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)——公共技術(shù)中心，購(gòu)置了例如離子探針、納米離子探針等儀器。”平臺(tái)凝聚了一支穩(wěn)定的工程師隊(duì)伍，在研究過(guò)程中，科學(xué)家與工程師緊密結(jié)合，發(fā)明了獨(dú)特的技術(shù)和方法，將儀器調(diào)試到最佳狀態(tài)，用吳福元的話說(shuō)，是將儀器的能力“用到極限”。李獻(xiàn)華說(shuō)：“例如在定年過(guò)程中，我們改進(jìn)了離子探針儀器的關(guān)鍵硬件，實(shí)現(xiàn)了小于3微米束斑精確測(cè)試。可以說(shuō)，這樣的精度國(guó)際上沒(méi)幾家能做到。”

據(jù)悉，嫦娥五號(hào)月球樣品第二輪申請(qǐng)工作已經(jīng)開(kāi)始，月壤將告訴我們更多有關(guān)月球的奧秘。吳福元說(shuō)：“作為一名科技工作者，能參與月球研究，這是一件幸事！中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)準(zhǔn)備好了，我們對(duì)未來(lái)充滿期待！”