“嫦娥石”理想晶體圖。中核集團(tuán)核地研院供圖
9月9日，國(guó)家航天局、國(guó)家原子能機(jī)構(gòu)聯(lián)合宣布，中國(guó)科學(xué)家首次在月球上發(fā)現(xiàn)新礦物，并命名為“嫦娥石”。該礦物是人類在月球上發(fā)現(xiàn)的第六種新礦物，我國(guó)成為世界上第三個(gè)在月球發(fā)現(xiàn)新礦物的國(guó)家，這也是嫦娥五號(hào)月球樣品研究取得的又一重大科學(xué)成果。
距地球38萬(wàn)公里的月球之上，“嫦娥石”存在于哪里？是如何被發(fā)現(xiàn)的？我國(guó)月球樣品研究還有哪些新進(jìn)展？
發(fā)現(xiàn)于嫦娥五號(hào)月球樣品的玄武巖碎屑中，是一種新的磷酸鹽礦物
專家介紹，“嫦娥石”發(fā)現(xiàn)于嫦娥五號(hào)月球樣品的玄武巖碎屑中，是一種新的磷酸鹽礦物，屬于隕磷鈉鎂鈣石族。呈柱狀晶體，顆粒大小為2—30微米。
中核集團(tuán)核工業(yè)北京地質(zhì)研究院（以下簡(jiǎn)稱中核集團(tuán)核地研院）月球樣品研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)X射線衍射等一系列技術(shù)手段，在14萬(wàn)個(gè)月球樣品顆粒中，分離出一顆粒徑約10微米大小的單晶顆粒，并成功解譯其晶體結(jié)構(gòu)。經(jīng)國(guó)際礦物學(xué)會(huì)（IMA）新礦物命名及分類委員會(huì)（CNMNC）投票通過(guò)，確證為一種新礦物。據(jù)介紹，該礦物是人類在月球上發(fā)現(xiàn)的第六種新礦物。
“新礦物的發(fā)現(xiàn)，為月球形成和演化提供了更多基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)，深化了人類對(duì)月球和太陽(yáng)系的認(rèn)知。”國(guó)家原子能機(jī)構(gòu)副主任董保同表示，這是我國(guó)在空間科學(xué)領(lǐng)域取得的一項(xiàng)重大科學(xué)成果，也是跨行業(yè)跨專業(yè)協(xié)同合作的一次成功探索。
“嫦娥石”的英文名稱為Changesite—（Y），是研究團(tuán)隊(duì)為它精心挑選的名字。“首先，這是紀(jì)念我國(guó)嫦娥探月工程首次取回的月球樣品；其次，它明確了該礦物來(lái)自中國(guó)傳統(tǒng)神話‘嫦娥’（Chang’E）的居住地（site），即月球；同時(shí)也表明該礦物取自嫦娥五號(hào)（Chang’E）的降落點(diǎn)（site）；最后，‘S’既是中文拼音‘石—Shi’又是英文‘石—Stone’開(kāi)頭的第一個(gè)字母，從發(fā)音上也更接近‘嫦娥石’，國(guó)內(nèi)國(guó)際都很好理解。”團(tuán)隊(duì)牽頭人、中核集團(tuán)核地研院重大項(xiàng)目總師李子穎介紹。
據(jù)介紹，“嫦娥石”是繼“廣寒宮”“織女”“河鼓”等35個(gè)月球地理實(shí)體命名后，月球科學(xué)探索領(lǐng)域又一具有中國(guó)文化特色并被國(guó)際社會(huì)認(rèn)可的月球相關(guān)名稱，再次展示了科學(xué)技術(shù)與文化藝術(shù)融合的中國(guó)式浪漫。
統(tǒng)計(jì)了14萬(wàn)個(gè)月球樣品顆粒，經(jīng)過(guò)詳盡礦物學(xué)研究
“嫦娥石”的發(fā)現(xiàn)過(guò)程并不輕松。
2021年7月，嫦娥五號(hào)月球樣品面向全社會(huì)開(kāi)放申請(qǐng)，中核集團(tuán)核地研院成為首批獲得月球樣品的13家研究機(jī)構(gòu)之一。研究人員小心翼翼捧回50毫克的月球樣品。
“相當(dāng)于3顆米粒的重量，而且根據(jù)協(xié)議，月壤研究過(guò)程中，只允許20毫克的損耗。”中核集團(tuán)核地研院第一批月球樣品責(zé)任人黃志新研究員說(shuō)。然而，在顯微鏡下觀察，1毫克月壤又擁有上萬(wàn)個(gè)顆粒，“月壤每一顆都非常珍貴，研究團(tuán)隊(duì)是一顆一顆挑選著、計(jì)算著使用。”黃志新說(shuō)。
“月壤的挑選不允許引入外來(lái)物質(zhì)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。”中核集團(tuán)核地研院研究員李婷說(shuō)。在艱難的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了新礦物的蛛絲馬跡。這個(gè)疑似新礦物的顆粒大小不足10微米。“分析后發(fā)現(xiàn)，它的化學(xué)成分是全新的，人類已知的礦物沒(méi)有一種與它的化學(xué)成分組成一致。”李子穎說(shuō)。
一種礦物要被確定為新礦物，除了需要提供化學(xué)成分信息，還需要提供晶體結(jié)構(gòu)信息。研究團(tuán)隊(duì)再次被難住了。“這個(gè)顆粒和輝石交互共生在一起，無(wú)論實(shí)驗(yàn)手段還是后期的數(shù)據(jù)處理都沒(méi)有辦法把輝石剔除干凈，一直沒(méi)有獲得理想的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。”李婷說(shuō)。
科研人員將目光投向了申請(qǐng)到的第二個(gè)月壤光片樣品。“我們統(tǒng)計(jì)了樣品上14萬(wàn)個(gè)顆粒，找到了一些‘嫦娥石’的蹤跡，但有希望測(cè)到單晶結(jié)構(gòu)的只有一顆，而這一顆還裂成了3小塊。”李子穎介紹，研究團(tuán)隊(duì)最終抓住了十四萬(wàn)分之一的機(jī)會(huì)，使用聚焦離子束電鏡切出了一顆純單晶顆粒，然后將顆粒轉(zhuǎn)移到單晶衍射儀上收集數(shù)據(jù)，最后解譯出“嫦娥石”的晶體結(jié)構(gòu)。
經(jīng)過(guò)一系列的拉曼光譜分析、晶體光性描述、物理性質(zhì)計(jì)算等系統(tǒng)詳盡的礦物學(xué)研究，2021年底，研究團(tuán)隊(duì)確定，這是一種從未被發(fā)現(xiàn)過(guò)的磷酸鹽礦物，揭開(kāi)了“嫦娥石”的神秘面紗。
月球樣品研究持續(xù)開(kāi)展，對(duì)認(rèn)識(shí)月球起源與演化等有重要意義
2020年12月17日，嫦娥五號(hào)攜帶1731克月球樣品返回地球。
據(jù)介紹，國(guó)家航天局已完成4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名申請(qǐng)人通過(guò)申請(qǐng)。中科院、教育部、自然資源部、中核集團(tuán)等多個(gè)單位獲批承擔(dān)月球樣品研究工作，國(guó)外科學(xué)家、留學(xué)生也參加了聯(lián)合研究。
探月工程副總指揮、探月與航天工程中心主任劉繼忠介紹，各科研團(tuán)隊(duì)都積極開(kāi)展研究工作，取得了顯著成果。目前已在國(guó)內(nèi)外著名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表文章23篇，申請(qǐng)專利1項(xiàng)。近期發(fā)布的成果主要包括巖漿分異、太空風(fēng)化、氦—3氣體以及生物能轉(zhuǎn)化等方面，對(duì)認(rèn)識(shí)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)具有重要啟示意義。
目前，關(guān)于月球科研樣品的研究還在持續(xù)開(kāi)展，第五批樣品申請(qǐng)已完成評(píng)審，后續(xù)將按程序發(fā)放。“隨著對(duì)樣品研究的逐步深化，我們預(yù)期會(huì)有新的更大成果。”劉繼忠說(shuō)。
