月壤新發(fā)現(xiàn)：月球上也有玻璃

李忠東

說到玻璃，相信同學(xué)們對(duì)它并不陌生。玻璃已經(jīng)成為我們生產(chǎn)、生活中的重要物質(zhì)，有著非常廣泛的應(yīng)用。玻璃不僅是重要的人造材料，更是自然界中普遍存在的天然物質(zhì)。比如地球上的火山活動(dòng)、隕石撞擊、雷擊等過程，都能夠形成大量的天然玻璃。

近日，中國科學(xué)院物理研究所公開宣布，在我國嫦娥五號(hào)帶回來的月球土壤樣本（ 以下簡稱“嫦娥五號(hào)月壤”） 中，首次發(fā)現(xiàn)多種類型、不同起源的月球玻璃物質(zhì)。

重大發(fā)現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄

嫦娥五號(hào)月壤中發(fā)現(xiàn)的月球玻璃物質(zhì)長短尺寸不一，有的直徑不到1 微米，有的卻有幾厘米，而且形態(tài)各異，或呈熔渣狀，或是圓潤的玻璃球。月球玻璃晶瑩多彩，因混入不同的氧化物而呈現(xiàn)綠色、黃色、褐色、紅色和黑色等。

尤其值得關(guān)注的是，科研人員還首次在嫦娥五號(hào)月壤中發(fā)現(xiàn)了具有超高長徑比的天然玻璃纖維，它們來源于撞擊過程中黏稠液體的熱塑成型。和低長徑比的玻璃珠相比，形成這些玻璃纖維的液體黏度要更高。這意味著對(duì)應(yīng)的撞擊溫度和撞擊速率更低，這反映了月球表面較為溫和的微撞擊事件。

月球上有玻璃！我國科學(xué)家的重大發(fā)現(xiàn)引起了國際科學(xué)界的轟動(dòng)。美國、德國等國科學(xué)家都表示了濃厚的興趣，希望能夠參與到相關(guān)的研究中。

悠悠歲月秘密多

和生機(jī)勃勃的地球相比，月球一片死寂，環(huán)境非常惡劣。由于缺少大氣和磁場的保護(hù)，月球表面直接暴露在宇宙太空環(huán)境中。在月球的演變歷史中，經(jīng)常會(huì)有一系列非平衡的物理、化學(xué)過程，比如火山噴發(fā)、隕石撞擊、太陽風(fēng)和宇宙射線輻照等，為科學(xué)家對(duì)月球演化歷史的研究分析帶來了難度。

幸運(yùn)的是，非平衡的物理、化學(xué)過程產(chǎn)生了各種玻璃物質(zhì)。它們以其無與倫比的穩(wěn)定性，幾十億年以來在月球環(huán)境中保存了和這些過程相關(guān)的巖漿物質(zhì)、隕石碎片、揮發(fā)物質(zhì)和太陽風(fēng)氣體等。月球玻璃是重要的月球資源，也是幫助重構(gòu)月球演化歷史的“日記”。

我國科學(xué)家綜合分析了嫦娥五號(hào)月壤中玻璃物質(zhì)的形態(tài)、成分、微觀結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制，發(fā)現(xiàn)月球表面存在著固體、液體、氣體多種轉(zhuǎn)變路徑的玻璃起源。月球表面頻繁遭受的隕石及微隕石撞擊導(dǎo)致的礦物熔化和快速冷卻，產(chǎn)生了各種形態(tài)的玻璃物質(zhì)，例如球狀、橢球狀、啞鈴狀和淚滴形等多種等旋轉(zhuǎn)形狀的玻璃珠，以及氣孔構(gòu)造的膠結(jié)質(zhì)和流體形態(tài)的濺射物等。

撞擊玻璃

撞擊玻璃是由隕石高速撞擊月球表面時(shí)，熔化物質(zhì)飛濺出來的熔融液珠在飛行過程中快速冷卻形成玻璃顆粒。如果在較低的溫度下，熔化的物質(zhì)黏度較高，在外力的作用下就會(huì)被“拔”成纖維，冷卻后就會(huì)變成比頭發(fā)絲還細(xì)的玻璃纖維。

火山玻璃

月球火山噴發(fā)后，在流淌出大量巖漿的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生熔巖噴泉，將熔化的巖漿分散為大量細(xì)小的液珠。這些細(xì)小的液珠快速冷卻，形成包含玻璃顆粒的火山碎屑。噴發(fā)在月球真空環(huán)境中的火山物質(zhì)可以擴(kuò)散很遠(yuǎn)，覆蓋廣闊的區(qū)域。因此，火山玻璃在月球上分布非常廣泛。

火山玻璃具有和火山活動(dòng)一樣的年齡，記錄著月球內(nèi)部不同時(shí)期、不同地點(diǎn)的重要信息。

膠結(jié)質(zhì)玻璃

如果微隕石撞擊導(dǎo)致的局域熔化沒有產(chǎn)生足夠多的熔融液體以黏結(jié)住周圍的顆粒，就可能會(huì)產(chǎn)生附著在月球顆粒表面的各種膠結(jié)質(zhì)玻璃，通常具有明顯的熔化和液體流動(dòng)的特征。

由于膠結(jié)物玻璃是由微隕石撞擊風(fēng)化的月壤時(shí)產(chǎn)生，撞擊熔化的過程中會(huì)釋放一部分氫氣和氦氣，導(dǎo)致在黏稠的熔體中產(chǎn)生氣泡，所以內(nèi)部呈現(xiàn)為多孔結(jié)構(gòu)。膠結(jié)質(zhì)是月壤中獨(dú)特而重要的組成部分，占月壤的30%。

豐富的膠結(jié)質(zhì)玻璃記錄著月球表面頻繁的微隕石撞擊，存儲(chǔ)著大量的氫、氦等太陽風(fēng)物質(zhì)，其中最為寶貴的是氦-3，為研究月壤所保存的氦-3 和水等資源提供了重要樣本。

寶貴資源價(jià)值大

科研價(jià)值

通過對(duì)月球上的玻璃物質(zhì)進(jìn)行分析和研究，科學(xué)家可以獲得很多關(guān)于月球歷史、地質(zhì)、化學(xué)、環(huán)境等方面的重要信息。比如，通過測定玻璃珠中微量元素和同位素等指標(biāo)，可以推斷出撞擊事件發(fā)生在什么時(shí)候、持續(xù)多久等信息；測定膠結(jié)質(zhì)中氣孔或裂縫內(nèi)殘留的氣體或水汽等指標(biāo)，能夠分析出撞擊事件中涉及哪些氣體或水汽、它們來自哪里、含量多少等信息；在測定濺射物中不同相位或區(qū)域之間差異性等指標(biāo)后，可以掌握撞擊事件中涉及哪些液態(tài)物質(zhì)、它們?nèi)绾瘟鲃?dòng)或飛濺、溫度與壓力變化如何等信息。

實(shí)用價(jià)值

撞擊玻璃表明月球表面廣袤的月壤物質(zhì)都是潛在的玻璃原料，能夠在適當(dāng)溫度下用科學(xué)的生產(chǎn)工藝，將它們定型為各種形狀的物體。在月球發(fā)現(xiàn)玻璃纖維，證明了月壤具有良好的玻璃形成能力和優(yōu)異的加工定型特性。在對(duì)月球玻璃抗輻照性能研究的基礎(chǔ)上，可以在月球表面現(xiàn)場制造抗太陽風(fēng)輻照的光學(xué)玻璃，用于未來月球基地的窗子、太陽能板防護(hù)罩以及航天員面罩等。

利用月球玻璃良好的光學(xué)性能、機(jī)械性能和耐高溫性能等特點(diǎn)，可以制造各種材料。例如，旋轉(zhuǎn)形狀的玻璃珠能有效地收集和聚焦太陽光，可用于制造太陽能電池板，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。再如，利用膠結(jié)質(zhì)玻璃的氣孔構(gòu)造，制造理想的隔音材料。濺射物呈流體形態(tài)，用它們制造的建筑材料具有很強(qiáng)的硬度和韌性，還能根據(jù)需要調(diào)節(jié)其透明度或顏色。

未來，人類可以在月球表面就地取材，利用月壤加工生產(chǎn)玻璃建材，而不是從地球運(yùn)輸這些建材物質(zhì)，可以減少地球資源的消耗，大大降低建立月球科研站和基地的成本。

此外，科學(xué)家長期以來對(duì)玻璃性質(zhì)的研究，有效地解碼月球玻璃隱藏的秘密；反之，在月壤中發(fā)現(xiàn)的距今34 億年的火山玻璃和40 億年的遠(yuǎn)古撞擊玻璃物質(zhì)，是人類迄今所能獲得的最古老的玻璃物質(zhì)之一，對(duì)它們的研究同樣能促進(jìn)對(duì)玻璃性質(zhì)的基礎(chǔ)研究。

結(jié)構(gòu)的無序和成分的復(fù)雜使玻璃材料的設(shè)計(jì)異常復(fù)雜，需要消耗大量人力、物力進(jìn)行試錯(cuò)篩選。在玻璃材料設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定性是一個(gè)重要的攻關(guān)課題。穩(wěn)定的玻璃材料用途廣泛，不但可以用于抗輻照和超長時(shí)間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，而且能夠超長期儲(chǔ)存核廢料。月球玻璃具有長達(dá)億萬年的穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗輻照能力，是月球嚴(yán)酷的環(huán)境自然篩選出來的超穩(wěn)定玻璃，正好為我們?cè)O(shè)計(jì)超穩(wěn)定玻璃材料提供了重要的依據(jù)。

科研人員可以通過研究和仿制月球玻璃，設(shè)計(jì)、研制和大量生產(chǎn)超穩(wěn)定玻璃材料。