兩年前，嫦娥五號(hào)帶回了1731克月球“土特產(chǎn)”。日前，人們又得到了來自月球的禮物——嫦娥石，一種全新的礦物。
找到這個(gè)禮物的，是一群特殊的人——中核集團(tuán)核工業(yè)北京地質(zhì)研究院（以下簡(jiǎn)稱核地研院）科研人員。60多年前，這些地質(zhì)科研人員在地球上找鈾礦。如今，他們從月球的土壤里找新礦，從“深地”走向“深空”。
【資料圖】
“我們能做什么？”
“我們能做什么？”這是2020年11月24日嫦娥五號(hào)成功發(fā)射后，一群地質(zhì)科研人員的思考。
作為我國(guó)唯一的綜合型鈾礦地質(zhì)科研機(jī)構(gòu)，過去60多年里，核地研院的科研人員一直在地球上找石頭——鈾礦石。嫦娥五號(hào)將帶著月球土壤返回地球，這讓他們有了新的想法和追求。
“月球樣品研究，是典型的前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究，它能推動(dòng)和帶動(dòng)一系列相關(guān)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步。”核地研院月球研究團(tuán)隊(duì)牽頭人李子穎說。
2021年7月12日，這是核地研院科研人員不會(huì)忘記的日子。這一天，第一批50毫克的月壤樣品抵達(dá)核地研院，他們興奮而又忐忑。“我們簽訂的協(xié)議中規(guī)定，這50毫克中只能損耗20毫克。”核地研院第一批月球樣品負(fù)責(zé)人黃志新說。
20毫克是什么概念？“大概相當(dāng)于1顆大點(diǎn)的米粒。”他說，用好每一個(gè)顆粒、確保極低的樣品損失量是團(tuán)隊(duì)每個(gè)人的共識(shí)。
按密度保守計(jì)算，這批月壤每1毫克中不少于1萬個(gè)顆粒。顆粒的尺寸在1微米到150微米之間，小的不足人類頭發(fā)直徑的百分之一，大的也只有一根頭發(fā)粗，“打一個(gè)噴嚏都會(huì)讓它失去蹤跡”。
“以往，地球樣本相對(duì)好獲取，樣本數(shù)量很大，有挑選的余地?？墒窃氯啦灰粯?，是極其珍貴的，即使這么微小的顆粒，也不能白白損耗掉。”核地研院研究員李婷告訴記者。
“針尖上的舞者”
根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，科研人員需要將月壤按粒度和礦物種類分成7組——將成千上萬的微小月壤顆粒，按分組規(guī)則挑選出來，然后放入不同的試驗(yàn)器皿。
為了盡量不因挑樣而改變?cè)氯赖V物組成以及減少樣品損失，這個(gè)步驟需要在顯微鏡下操作完成?？蒲腥藛T使用針頭小于0.5微米的納米取樣針，將月壤一顆一顆地轉(zhuǎn)移到對(duì)應(yīng)的銅坩堝中，這個(gè)動(dòng)作至少得重復(fù)上萬次。
“通常我們挑選地球樣品時(shí)，可以將凡士林等有一定黏性的物質(zhì)涂抹在針上幫助蘸取樣品，再穩(wěn)妥轉(zhuǎn)移到其他地方。而月壤的挑選不允許引入外來物質(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。”李婷向記者回憶當(dāng)初的工作情形，將其形容為“針尖上的舞者”。
這個(gè)過程極其考驗(yàn)?zāi)托?。李婷需要長(zhǎng)時(shí)間坐在桌前，緊盯顯微鏡，用纖細(xì)的納米取樣針反復(fù)嘗試剝?nèi)〔坏?.000001毫克的顆粒。常常遇到的情況是，針尖推著顆粒在玻璃片上來回跑，就是取不起來。只能深呼吸，穩(wěn)住崩潰的情緒和僵硬的肩膀繼續(xù)一遍遍嘗試。
就這樣，李婷與這些月壤“死磕”了兩個(gè)多月。在“死磕”中，她對(duì)月壤有了更深的了解。當(dāng)分析因此獲得的大量數(shù)據(jù)時(shí)，她發(fā)現(xiàn)月壤中有一種含鈣的磷酸鹽礦物。它含有的稀土元素，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人們以往認(rèn)識(shí)的此類礦物結(jié)構(gòu)中可以達(dá)到的數(shù)量。
這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓大家激動(dòng)不已。他們預(yù)感到，這很可能是一種新礦物。
十四萬分之一的機(jī)會(huì)
每種礦物都有其特殊的化學(xué)成分（即由哪些元素構(gòu)成）和晶體結(jié)構(gòu)（即元素是如何排列的），這是它們身份的標(biāo)志。因此，發(fā)現(xiàn)一個(gè)新礦物，必須搞清楚它的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)。
李婷發(fā)現(xiàn)的疑似新礦物，是一顆不足10微米的月壤顆粒。他們馬上開展了針對(duì)性的系統(tǒng)研究，并測(cè)定了該礦物的化學(xué)組成。如果再進(jìn)一步獲取它的理想晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，那就可以證實(shí)這是一個(gè)全新的礦物。
然而，他們失敗了。
由于顆粒太小，且和輝石交互共生在一起，無論實(shí)驗(yàn)手段還是后期的數(shù)據(jù)處理都沒有辦法把輝石剔除干凈，因此一直沒法獲得理想的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。
“但是我們沒有放棄。”李婷說。
他們申請(qǐng)獲得了第二批月球樣品——月球光片樣品，繼續(xù)開展研究。這個(gè)樣品大約有14萬個(gè)顆粒，他們從中再次找到了新礦物的蹤跡。但是，有希望測(cè)到單晶結(jié)構(gòu)的顆粒只有一顆，而這一顆還裂成了三小塊。要想驗(yàn)證新礦物的存在，必須把它分離出來，進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)的精確解譯。
“頭發(fā)的直徑大概是70到100微米，這個(gè)顆粒最長(zhǎng)的邊是10微米，短的邊大概只有4微米，也就是頭發(fā)絲的1/20，所以要把它完完整整地切出來非常困難，而且只有這一次機(jī)會(huì)。”李婷說。
只有一次機(jī)會(huì)，那意味著只能成功不許失敗，他們心理壓力很大。“我們做了很多預(yù)案，開展了一些模擬實(shí)驗(yàn)。”核地研院地礦所副所長(zhǎng)鐘軍告訴記者。
最終，他們?cè)诰劢闺x子束電子顯微鏡的幫助下，在14萬個(gè)顆粒中成功分離出一顆粒徑約10微米、不到普通人頭發(fā)平均直徑十分之一大小的單晶顆粒。整個(gè)過程用了8個(gè)小時(shí)，但他們的興奮持續(xù)了更久。“我們倆晚上回實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候，還一直在路上聊這個(gè)，非常開心。”鐘軍回憶道。
帶著一種迫不及待的心情，他們隨后對(duì)這個(gè)單晶顆粒開展解譯工作，獲得了它的晶體結(jié)構(gòu)，成功確定這是一種從未被人類發(fā)現(xiàn)過的礦物——嫦娥石，這是他們?nèi)〉拿帧?ldquo;紀(jì)念我們國(guó)家的嫦娥工程，也表達(dá)我們對(duì)航天事業(yè)的敬意。”李子穎說。
無色透明的柱狀晶體
嫦娥石什么樣？
李婷向記者展示了嫦娥石真實(shí)顆粒的CT掃描圖，這是一個(gè)漂亮的柱狀晶體，無色、透明。它是一種磷酸鹽礦物，存在于玄武巖中，伴生礦物有鐵橄欖石、單斜輝石、鈦鐵礦、鈣長(zhǎng)石、斜鋯石、方石英、隕硫鐵和玻璃等。
2022年8月，嫦娥石獲得國(guó)際礦物協(xié)會(huì)新礦物命名及分類委員會(huì)通過，確證為一種新礦物。這是我國(guó)發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)月球新礦物，也是人類發(fā)現(xiàn)的第六個(gè)月球新礦物，這使我國(guó)成為世界第三個(gè)發(fā)現(xiàn)月球新礦物的國(guó)家。
“對(duì)我們來說，發(fā)現(xiàn)月球新礦物是偶然，也是必然。”李婷說，近十年來，核地研院主導(dǎo)和參與發(fā)現(xiàn)17種新礦物，儲(chǔ)備了扎實(shí)的礦物學(xué)知識(shí)和先進(jìn)的研究技術(shù)。
李子穎認(rèn)為，新礦物的發(fā)現(xiàn)，將推動(dòng)礦物學(xué)科的發(fā)展，也為研究月球形成和演化，以及以月球?yàn)榛剡M(jìn)行其他深空探測(cè)等提供幫助。
此次月壤樣品研究，還首次成功獲得嫦娥五號(hào)月壤中未來聚變能源資源——氦-3含量和提取參數(shù)，為我國(guó)后續(xù)進(jìn)行月球氦-3資源的遙感預(yù)測(cè)和資源總量估算，以及氦-3資源未來開發(fā)提供了基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)。此外，還系統(tǒng)獲得了嫦娥五號(hào)月球樣品的形貌及礦物組成，為研究月球演化和形成提供了有力支撐。
“這是一個(gè)重要的開端。”在核地研院副院長(zhǎng)陳亮看來，“深地、深海、深空”是國(guó)家資源領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略方向，“深地”是核地研院傳統(tǒng)技術(shù)的自然延伸，而月球樣品研究意味著他們從地球走向月球，向“深空”探索。
（本報(bào)北京9月10日電 本報(bào)記者 陳海波）
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