中國人從月球“挖”來“嫦娥石”

韓揚(yáng)眉　王一鳴

9月9日，國家航天局、國家原子能機(jī)構(gòu)聯(lián)合在京發(fā)布嫦娥五號最新科學(xué)成果。國家原子能機(jī)構(gòu)副主任董保同在發(fā)布活動上宣布，中國科學(xué)家首次在月球上發(fā)現(xiàn)的新礦物被命名為“嫦娥石”，其英文名為Changesite-（Y）。這是我國在空間科學(xué)領(lǐng)域取得的一項(xiàng)重大科學(xué)成果，也是核與航天跨行業(yè)、跨專業(yè)合作的一次有力探索。

“嫦娥石”是我國發(fā)現(xiàn)的首個(gè)月球新礦物，也是人類發(fā)現(xiàn)的第六個(gè)月球新礦物。這次新發(fā)現(xiàn)使我國成為世界第三個(gè)發(fā)現(xiàn)月球新礦物的國家。

“此次系列新發(fā)現(xiàn)還帶動了新技術(shù)、新方法的發(fā)展，推動了礦物學(xué)的進(jìn)步，為月球演化、資源開發(fā)利用，以及未來深空探測等提供科學(xué)支撐。”中核集團(tuán)核工業(yè)北京地質(zhì)研究院（以下簡稱核地研院）嫦娥五號月球科研樣品研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人李子穎告訴筆者。

開展月球樣品科學(xué)研究是實(shí)施探月工程的主要目標(biāo)任務(wù)之一。經(jīng)過激烈競爭，核地研院獲批成為第一批開展月球樣品科學(xué)研究的單位之一，先后獲得了365克月球樣品。

根據(jù)研究計(jì)劃，科研人員首先對首批50毫克樣品進(jìn)行礦物學(xué)研究。

“我們對數(shù)十萬個(gè)平均大小僅10微米的月壤顆粒進(jìn)行化學(xué)成分測定，發(fā)現(xiàn)有一類微小顆粒的化學(xué)成分和所有已知礦物成分都不相同，它的稀土含量特別高。經(jīng)過反復(fù)查閱文獻(xiàn)，結(jié)合多年的專業(yè)敏感性，我們意識到這有可能是新礦物。”新礦物發(fā)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)成員、核地研院研究員李婷告訴筆者。

判斷是否是一個(gè)新礦物，有兩個(gè)必要條件：化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)。于是，李婷和團(tuán)隊(duì)成員立即著手測定結(jié)構(gòu)。

然而，這一新礦物是一個(gè)10微米左右的顆粒，和輝石交互共生，無論是實(shí)驗(yàn)手段還是后期數(shù)據(jù)處理都沒有辦法把輝石剔除干凈，因此一直沒有獲得理想的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

一個(gè)多月后，核地研院申請到第二批月壤樣品。團(tuán)隊(duì)統(tǒng)計(jì)了樣品靶上超14萬個(gè)顆粒，又找到了一些新礦物的蹤跡，但有希望測到單晶結(jié)構(gòu)的只有一顆，而且裂成了三小塊。最終團(tuán)隊(duì)使用聚焦離子束電鏡切出了一顆10×7×4微米的純的單晶顆粒，然后將顆粒轉(zhuǎn)移到單晶衍射儀上收集衍射數(shù)據(jù)，最后解譯出了晶體結(jié)構(gòu)。

隨后，團(tuán)隊(duì)對其進(jìn)行了拉曼光譜分析、晶體光性描述、物理性質(zhì)計(jì)算等，通過系統(tǒng)詳盡的礦物學(xué)研究，最終成功確定其為一種從未被發(fā)現(xiàn)過的磷酸鹽新礦物，為致敬中國航天和深空探索事業(yè)，核地研院將其命名為“嫦娥石”。

“嫦娥石”發(fā)現(xiàn)于嫦娥五號月壤的玄武巖碎屑中，是新的磷酸鹽礦物，屬于隕磷鈉鎂鈣石族。晶體結(jié)構(gòu)屬三方晶系，空間群R3c，呈微小柱狀，伴生礦物有鐵橄欖石、單斜輝石、鈦鐵礦、鈣長石、斜鋯石、方石英、隕硫鐵和玻璃等。

2022年8月，國際礦物學(xué)會新礦物分類及命名委員會全票通過了“嫦娥石”申請報(bào)告并頒發(fā)批準(zhǔn)函。

科研團(tuán)隊(duì)全面研究了嫦娥五號月壤顆粒的形貌特征，獲得了嫦娥五號月壤顆粒的典型形貌特征，為研究月壤形成提供了科學(xué)依據(jù)。通過對數(shù)十萬個(gè)月壤顆粒進(jìn)行系統(tǒng)研究，他們獲得了嫦娥五號月壤的礦物組成，為研究月球演化和形成提供了有力支撐。

“系列成果的取得，是我國核科技實(shí)現(xiàn)自立自強(qiáng)的重要體現(xiàn)，但成果來之不易，過程非常曲折。”核地研院副院長陳亮表示。

月球樣品珍貴稀少，必須用好每一個(gè)顆粒、確保極低的樣品損失量，這考驗(yàn)著科研人員的耐心和技能。

李婷回憶，最難的是挑選月球樣品，由于不允許引入外來“污染”，只能靠針尖和顆粒之間摩擦產(chǎn)生的一點(diǎn)靜電吸附住樣品。他們經(jīng)常用針尖推著樣品在玻璃片上來回跑，就是取不起來，每每這時(shí)既絕望又崩潰，但也只能深呼吸，穩(wěn)住崩潰的情緒和僵硬的肩膀一遍遍嘗試。

“這些顆粒中，小的不足頭發(fā)直徑的1/100，大的也只有一根頭發(fā)粗細(xì)，跟它們死磕了兩個(gè)多月，終于完成了挑選任務(wù)，實(shí)驗(yàn)計(jì)劃如期完成。”李婷說。

稱重也需非常精確。黃志新介紹，分取使用的天平是百萬級天平，可以精確到0.001毫克。

“最困難的是要準(zhǔn)確稱取數(shù)份0.1毫克樣品，舉個(gè)例子，一顆綠豆大約600毫克，相當(dāng)于我們需要取1/6000顆綠豆，手稍稍抖一下就超量了。每個(gè)空樣品槽稱三遍，放入樣品后再稱三遍，以確保稱量準(zhǔn)確。”黃志新說。

星空浩瀚無窮，探月研究開啟新篇章。“這是一條相當(dāng)漫長而曲折的道路，無論經(jīng)費(fèi)、時(shí)間、精力，所有的投入都必然是有限的，而唯一無限的是科學(xué)家的好奇心。”李子穎說。

據(jù)了解，2020年12月17日，嫦娥五號攜帶1731克月球樣品返回地球。國家航天局已完成四批152份共計(jì)53625.7毫克的月球樣品發(fā)放，有33家科研單位的98位申請人通過申請。第五批月球樣品正在評審，后續(xù)按程序發(fā)放。

中科院、教育部、自然資源部、中核集團(tuán)等多家單位獲批承擔(dān)月球樣品研究工作，國外科學(xué)家、留學(xué)生也參加了聯(lián)合研究。目前已在巖漿分異、太空風(fēng)化、氦-3氣體以及生物能轉(zhuǎn)化等方面取得最新成果，給認(rèn)識月球起源與演化、探尋月球資源的有效利用以及實(shí)現(xiàn)“零能耗”的地外環(huán)境和生命支持系統(tǒng)帶來重要啟示。