4月24日，中國(guó)國(guó)家航天局發(fā)布嫦娥五號(hào)月球樣品研究最新成果：我國(guó)從嫦娥五號(hào)月球樣品中，發(fā)現(xiàn)了兩種月球新礦物：鎂嫦娥石和鈰嫦娥石。 這兩種新礦物，與此前發(fā)現(xiàn)的“嫦娥石”有啥關(guān)系？我們?yōu)楹我芯吭虑虻V物？ 本文作者、中核集團(tuán)首席科學(xué)家、核工業(yè)北京地質(zhì)研究院月球樣品研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人李子穎詳細(xì)講述了鎂嫦娥石的發(fā)現(xiàn)過程。從中我們可以看到中國(guó)科學(xué)家數(shù)十年如一日深耕地質(zhì)研究的積累，也能感受到面對(duì)月壤這份珍貴樣品時(shí)，科研團(tuán)隊(duì)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、不放過任何一絲異常的鉆研勁頭。 本次新礦物的發(fā)現(xiàn)，拓展了人類對(duì)月球礦物質(zhì)組成的認(rèn)知，也為后續(xù)月球成因與演化研究提供了新的關(guān)鍵依據(jù)，更印證了中國(guó)深空探測(cè)領(lǐng)域基礎(chǔ)研究不斷突破的堅(jiān)實(shí)步伐。 本文轉(zhuǎn)載自知乎問答，觀察者網(wǎng)已獲授權(quán)發(fā)布。

【文/ 李子穎】

大家好，我是中核集團(tuán)首席科學(xué)家、核工業(yè)北京地質(zhì)研究院月球樣品研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人李子穎。三年前我曾受邀來知乎，和大家交流嫦娥石的發(fā)現(xiàn)過程。

中國(guó)首次發(fā)現(xiàn)月球新礦物，命名“嫦娥石”

三年多后，我們又從“嫦娥五號(hào)”帶回的月球鉆取玄武巖碎屑中，找到了這個(gè)家族的另一位成員——鎂嫦娥石。

給大家介紹一下這位嫦娥石家族的新成員，它與此前發(fā)現(xiàn)的嫦娥石為同一個(gè)礦物系列，同屬隕磷鈉鈣石族，但它的獨(dú)特之處在于：

1. 個(gè)頭極小，呈短柱狀晶體，粒徑僅2到30微米，約為頭發(fā)絲直徑的三十分之一到三分之一，肉眼不可見；

2. 結(jié)構(gòu)獨(dú)特，晶體結(jié)構(gòu)M位以鎂為主，不像嫦娥石以鐵為主；嫦娥石的空間群是R3c，但鎂嫦娥石的空間群是R3m，是該礦物族中第一個(gè)擁有此空間群的新礦物。另外，它的晶胞c軸長(zhǎng)度只有嫦娥石的一半，打破了我們對(duì)該族礦物的傳統(tǒng)認(rèn)知；

3. 稀土含量更高，能達(dá)到10%左右，比嫦娥石高出約3個(gè)百分點(diǎn)。從形成條件推測(cè)，它結(jié)晶的溫度可能更高一些，所以應(yīng)該先于嫦娥石形成。

基于上述特點(diǎn)，我們?cè)诿麜r(shí)，在“嫦娥石”前面專門加了一個(gè)“鎂”字來突出它的成分特征，同時(shí)“鎂”與“美”諧音，也寄托了一份科研人的美好祝福。

鎂嫦娥石理想晶體圖

其實(shí)早在2022年發(fā)現(xiàn)嫦娥石之后，我們就憑借理論機(jī)理和研究經(jīng)驗(yàn)判定，嫦娥石不會(huì)是月壤里唯一的新礦物。因?yàn)橄⊥猎赜?5種，元素之間類質(zhì)同象，在不同的條件下可相互替代，會(huì)催生一系列結(jié)構(gòu)相似、成分不同的礦物。所以我們2023年又開始從月壤樣品中探索發(fā)現(xiàn)新礦物的研究。

這次用于研究的月壤樣品和此前不同。嫦娥石用的是月球表面的土壤，而這次用的則是“嫦娥五號(hào)”從月球帶回的鉆取樣品，樣品量非常少，顆粒細(xì)小肉眼難見，我們得先用環(huán)氧樹脂把它們鑲嵌凝固，磨平拋光，做成一個(gè)樣品靶，才能在顯微鏡下看得清楚。測(cè)試用的靶樣也就幾毫克，每毫克上萬個(gè)顆粒。我們從這里起步，開始了海量篩查。

由于月壤顆粒極小，我們需要用自動(dòng)礦物識(shí)別分析儀，對(duì)每一個(gè)顆粒逐粒掃描，從能譜圖中尋找異常信號(hào)。終于，在對(duì)海量礦物成分逐一甄別的時(shí)候，我們注意到一個(gè)異常：有幾顆顆粒跟嫦娥石長(zhǎng)得幾乎一模一樣，但鎂含量明顯偏高，鐵含量卻低于嫦娥石。掃描電鏡下，它們長(zhǎng)得太像了，如不注意，很容易當(dāng)成嫦娥石一帶而過。但我們熟悉嫦娥石了，哪怕很小的成分異常，對(duì)我們來說也是敏感的。

但要確認(rèn)它是不是新礦物，光有成分還不夠，必須拿到晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。一毫克月壤里就藏著上萬個(gè)顆粒，而我們要找的是成分純凈、結(jié)晶完好的單晶，條件極為苛刻。

好不容易篩選出單晶后，我們用聚焦離子束掃描電鏡，像外科醫(yī)生做微創(chuàng)手術(shù)一樣，把目標(biāo)晶體從礦物集合體中精準(zhǔn)切割下來。離子束的切割精度要達(dá)到微米級(jí)、甚至是亞微米級(jí)。力度稍大，這顆微小的晶體就可能直接被“切飛”。單晶切出來之后，再轉(zhuǎn)移到單晶衍射儀上測(cè)試。這個(gè)步驟需要手工操作，手必須非常穩(wěn)，不能顫抖。

鎂嫦娥石背散射電子圖像

我們?nèi)匀挥浀玫谝活w顆粒的失敗經(jīng)歷，那是花了半個(gè)月才篩選出的最大顆粒，小心翼翼切割完成后送去單晶衍射，結(jié)果卻讓人非常失望。它是一顆非晶質(zhì)顆粒，根本采集不到晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。到了切第二顆顆粒的時(shí)候，研究團(tuán)隊(duì)的三位同志在一起，互相減壓，因?yàn)槟鞘悄苷业降淖詈笠活w合適的顆粒了，要是再失敗，整個(gè)項(xiàng)目就黃了。操作人員戴著兩層口罩，生怕一口氣喘大了，把這顆“月球珍寶”吹得無影無蹤。

單晶衍射儀實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過團(tuán)隊(duì)奮戰(zhàn)，第二顆單晶顆粒終于被成功切出。但新的問題又來了，測(cè)試數(shù)據(jù)卻始終不理想，信號(hào)弱、分辨率低，結(jié)構(gòu)解析卡在了最關(guān)鍵的一步。那段時(shí)間，團(tuán)隊(duì)成員跑遍了北京所有能找到的高端儀器，甚至預(yù)約了同步輻射光源，依然無法突破。

在最艱難的時(shí)候，年輕的研究員甚至懷疑，是不是判斷錯(cuò)了，根本沒有什么新礦物。這其實(shí)也是科研工作的某種常態(tài)，枯燥、失敗、反反復(fù)復(fù)。有時(shí)候你發(fā)現(xiàn)一個(gè)異常，覺得可能是新的，但反復(fù)分析又不像，這種是是非非的過程很折磨人。但好奇心、信心和責(zé)任感會(huì)推著我們往前走，我們需要不斷調(diào)整、反復(fù)討論，從顆粒到單晶到結(jié)構(gòu)，一步一步驗(yàn)證。

就在大家頗有點(diǎn)山窮水盡的階段，江西應(yīng)用科技學(xué)院的谷湘平教授給研究帶來轉(zhuǎn)機(jī)。谷教授是國(guó)際知名的礦物學(xué)家，在晶體結(jié)構(gòu)解析方面很有造詣。由于不同品牌儀器的數(shù)據(jù)格式不兼容，他無法讀取我們的原始數(shù)據(jù)，索性帶著樣品回到自己的實(shí)驗(yàn)室，用不同型號(hào)的衍射儀重新采集了全部數(shù)據(jù)。更關(guān)鍵的是，他從自己珍藏的一塊月球隕石中，找到了與鎂嫦娥石成分、結(jié)構(gòu)完全一致的礦物，用獨(dú)立的樣品驗(yàn)證了我們的發(fā)現(xiàn)。

納米機(jī)械手提取鎂嫦娥石單晶顆粒

最后一道關(guān)是國(guó)際礦物學(xué)協(xié)會(huì)新礦物委員會(huì)的評(píng)審。專家們提出了一個(gè)關(guān)鍵問題：隕磷鈉鈣石族所有已知礦物的晶胞c軸長(zhǎng)度都是37.2埃，為什么你們的鎂嫦娥石只有18.6埃？

這也是我們此前研究中遭遇的瓶頸。當(dāng)時(shí)我們按照傳統(tǒng)晶體結(jié)構(gòu)模型，始終無法得到理想結(jié)果，研究一度陷入停滯。但團(tuán)隊(duì)沒有墨守成規(guī)，我們反復(fù)推演驗(yàn)證，詳細(xì)論證了鎂替代鐵之后晶體結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，確定鎂嫦娥石的晶胞c軸長(zhǎng)度就是嫦娥石的一半。看完我們提供的充分證據(jù)材料，所有評(píng)委都被說服，經(jīng)該委員會(huì)投票，鎂嫦娥石終于被確證為一種新礦物。

鎂嫦娥石單晶

這一發(fā)現(xiàn)有怎樣的意義呢？

作為隕磷鈉鈣石族的新成員，鎂嫦娥石獨(dú)特的成分與結(jié)構(gòu)，為研究月球形成演化、巖漿活動(dòng)、化學(xué)分異提供了全新的礦物學(xué)樣本。在科學(xué)界，流傳著一句話“月球是地球的過去”。研究它能幫助我們追溯天體演化的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)過去，預(yù)測(cè)未來。

通過這次科研攻堅(jiān)，我們核地研院也構(gòu)建了月壤新礦物研究的成熟技術(shù)體系，特別是針對(duì)研究對(duì)象是粒徑極小的顆粒；微米級(jí)單晶樣品制備技術(shù)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，團(tuán)隊(duì)原始創(chuàng)新能力有了顯著提升。

這些成果的背后，是國(guó)家綜合實(shí)力和科技創(chuàng)新能力的體現(xiàn)。要知道，國(guó)際上自美國(guó)上世紀(jì)60年代以來，至今發(fā)現(xiàn)了5個(gè)月球新礦物。而我們國(guó)家用不到6年的時(shí)間就發(fā)現(xiàn)了3個(gè)，這和我們創(chuàng)新能力和水平密不可分，也進(jìn)一步鞏固了我國(guó)在月球科學(xué)研究領(lǐng)域的國(guó)際地位。令我們驕傲的是，因?yàn)殒隙鹗俏覀儼l(fā)現(xiàn)并命名的，按照國(guó)際礦物學(xué)命名規(guī)則，今后任何國(guó)家任何人再發(fā)現(xiàn)同系列礦物，都必須以“嫦娥石”為詞根來命名。

當(dāng)然，這一切的起點(diǎn)，是探月工程的成功。探月工程是世界上最復(fù)雜的系統(tǒng)工程之一，為了把月壤帶回來，攻克了運(yùn)載、通信、測(cè)控、導(dǎo)航、材料等一系列技術(shù)難關(guān)。這些技術(shù)雖然不直接掛在每個(gè)人的日常起居里，但它們會(huì)轉(zhuǎn)化、會(huì)打通，推動(dòng)科技進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展。這就是長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略價(jià)值。

從更廣的視角看，幾乎所有基礎(chǔ)研究的價(jià)值都不一定是立竿見影的。我們今天能導(dǎo)航、能預(yù)測(cè)天氣、能全球通話，背后都是數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、材料科學(xué)等基礎(chǔ)研究幾十年甚至上百年積累的結(jié)果。很多當(dāng)下看似遙遠(yuǎn)的研究，將來會(huì)長(zhǎng)成參天大樹。就比如我們一開始研究月壤，是準(zhǔn)備重點(diǎn)研究放射性元素鈾、釷的特征。發(fā)現(xiàn)新礦物并不是我們一開始設(shè)定的目標(biāo)，而是研究過程中的意外收獲。但基礎(chǔ)研究往往就是這樣，你奔著一件事情去，可能結(jié)了另外一個(gè)果，這正是科學(xué)的奇妙之處。

月壤研究團(tuán)隊(duì)部分成員合影

我從事鈾礦地質(zhì)研究四十年了。在我們搞礦物巖石的人看來，石頭是有生命的，有年齡，會(huì)說話。不同石頭可能是不同時(shí)代形成的，我們可以測(cè)量它們的年齡有多大；“會(huì)說話”指的是它們記錄了自己所經(jīng)歷的故事，而我們將其挖掘出來，就像讀一個(gè)人的一生。中華民族五千年歷史，2020年把1.7公斤月壤拿回來，這是真正的千年等一回。今天，我們能夠親手觸摸來自38萬公里外的月球物質(zhì)，能夠通過研究它們?nèi)ソ庾x月球的故事，這是我們這一代科研人員的幸運(yùn)，我們感到無比自豪。

所以，只要還有月壤樣品，我們就會(huì)一直找下去。除了鎂嫦娥石，后續(xù)還可能根據(jù)元素含量的不同，出現(xiàn)新的嫦娥石，形成一個(gè)具有更多成員的“嫦娥石家族”。

新發(fā)現(xiàn)屬于過去。我們團(tuán)隊(duì)已開始了新一輪的探索和研究，那些藏在微米顆粒世界里的秘密，終有一天會(huì)被我們一一揭開。

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