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天天速訊:尋石記——發現嫦娥石

2022-09-11 05:59:13來源:瀟湘晨報

嫦娥石理想晶體圖國家航天局供圖中核集團核工業北京地質研究院科研人員正在研究月壤。中核集團核工業北京地質研究院供圖兩年前,嫦娥五號帶回

嫦娥石理想晶體圖 國家航天局供圖

中核集團核工業北京地質研究院科研人員正在研究月壤。中核集團核工業北京地質研究院供圖

兩年前,嫦娥五號帶回了1731克月球“土特產”。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。


(資料圖片)

找到這個禮物的,是一群特殊的人——中核集團核工業北京地質研究院(以下簡稱核地研院)科研人員。60多年前,這些地質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”。

“我們能做什么?”

“我們能做什么?”這是2020年11月24日嫦娥五號成功發射后,一群地質科研人員的思考。

作為我國唯一的綜合型鈾礦地質科研機構,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,是典型的前沿基礎科學研究,它能推動和帶動一系列相關科學技術進步?!焙说匮性涸虑蜓芯繄F隊牽頭人李子穎說。

2021年7月12日,這是核地研院科研人員不會忘記的日子。這一天,第一批50毫克的月壤樣品抵達核地研院,他們興奮而又忐忑?!拔覀兒炗喌膮f議中規定,這50毫克中只能損耗20毫克?!焙说匮性旱谝慌虑驑悠坟撠熑它S志新說。

20毫克是什么概念?“大概相當于1顆大點的米粒。”他說,用好每一個顆粒、確保極低的樣品損失量是團隊每個人的共識。

按密度保守計算,這批月壤每1毫克中不少于1萬個顆粒。顆粒的尺寸在1微米到150微米之間,小的不足人類頭發直徑的百分之一,大的也只有一根頭發粗,“打一個噴嚏都會讓它失去蹤跡”。

“以往,地球樣本相對好獲取,樣本數量很大,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?!焙说匮性貉芯繂T李婷告訴記者。

“針尖上的舞者”

根據不同的實驗目的,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,按分組規則挑選出來,然后放入不同的試驗器皿。

為了盡量不因挑樣而改變月壤礦物組成以及減少樣品損失,這個步驟需要在顯微鏡下操作完成。科研人員使用針頭小于0.5微米的納米取樣針,將月壤一顆一顆地轉移到對應的銅坩堝中,這個動作至少得重復上萬次。

“通常我們挑選地球樣品時,可以將凡士林等有一定黏性的物質涂抹在針上幫助蘸取樣品,再穩妥轉移到其他地方。而月壤的挑選不允許引入外來物質污染,只能靠針尖和顆粒之間摩擦產生的一點靜電吸附住樣品?!崩铈孟蛴浾呋貞洰敵醯墓ぷ髑樾?,將其形容為“針尖上的舞者”。

這個過程極其考驗耐心。李婷需要長時間坐在桌前,緊盯顯微鏡,用纖細的納米取樣針反復嘗試剝取不到0.000001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,穩住崩潰的情緒和僵硬的肩膀繼續一遍遍嘗試。

就這樣,李婷與這些月壤“死磕”了兩個多月。在“死磕”中,她對月壤有了更深的了解。當分析因此獲得的大量數據時,她發現月壤中有一種含鈣的磷酸鹽礦物。它含有的稀土元素,遠遠高于人們以往認識的此類礦物結構中可以達到的數量。

這個發現讓大家激動不已。他們預感到,這很可能是一種新礦物。

十四萬分之一的機會

每種礦物都有其特殊的化學成分(即由哪些元素構成)和晶體結構(即元素是如何排列的),這是它們身份的標志。因此,發現一個新礦物,必須搞清楚它的化學成分和晶體結構。

李婷發現的疑似新礦物,是一顆不足10微米的月壤顆粒。他們馬上開展了針對性的系統研究,并測定了該礦物的化學組成。如果再進一步獲取它的理想晶體結構參數,那就可以證實這是一個全新的礦物。

然而,他們失敗了。

由于顆粒太小,且和輝石交互共生在一起,無論實驗手段還是后期的數據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構數據。

“但是我們沒有放棄。”李婷說。

他們申請獲得了第二批月球樣品——月球光片樣品,繼續開展研究。這個樣品大約有14萬個顆粒,他們從中再次找到了新礦物的蹤跡。但是,有希望測到單晶結構的顆粒只有一顆,而這一顆還裂成了三小塊。要想驗證新礦物的存在,必須把它分離出來,進行晶體結構的精確解譯。

“頭發的直徑大概是70到100微米,這個顆粒最長的邊是10微米,短的邊大概只有4微米,也就是頭發絲的1/20,所以要把它完完整整地切出來非常困難,而且只有這一次機會?!崩铈谜f。

只有一次機會,那意味著只能成功不許失敗,他們心理壓力很大?!拔覀冏隽撕芏囝A案,開展了一些模擬實驗?!焙说匮性旱氐V所副所長鐘軍告訴記者。

最終,他們在聚焦離子束電子顯微鏡的幫助下,在14萬個顆粒中成功分離出一顆粒徑約10微米、不到普通人頭發平均直徑十分之一大小的單晶顆粒。整個過程用了8個小時,但他們的興奮持續了更久?!拔覀儌z晚上回實驗室的時候,還一直在路上聊這個,非常開心?!辩娷娀貞浀?。

帶著一種迫不及待的心情,他們隨后對這個單晶顆粒開展解譯工作,獲得了它的晶體結構,成功確定這是一種從未被人類發現過的礦物——嫦娥石,這是他們取的名字?!凹o念我們國家的嫦娥工程,也表達我們對航天事業的敬意。”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顆粒的CT掃描圖,這是一個漂亮的柱狀晶體,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、鈣長石、斜鋯石、方石英、隕硫鐵和玻璃等。

2022年8月,嫦娥石獲得國際礦物協會新礦物命名及分類委員會通過,確證為一種新礦物。這是我國發現的第一個月球新礦物,也是人類發現的第六個月球新礦物,這使我國成為世界第三個發現月球新礦物的國家。

“對我們來說,發現月球新礦物是偶然,也是必然。”李婷說,近十年來,核地研院主導和參與發現17種新礦物,儲備了扎實的礦物學知識和先進的研究技術。

李子穎認為,新礦物的發現,將推動礦物學科的發展,也為研究月球形成和演化,以及以月球為基地進行其他深空探測等提供幫助。

此次月壤樣品研究,還首次成功獲得嫦娥五號月壤中未來聚變能源資源——氦-3含量和提取參數,為我國后續進行月球氦-3資源的遙感預測和資源總量估算,以及氦-3資源未來開發提供了基礎科學數據。此外,還系統獲得了嫦娥五號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。

“這是一個重要的開端?!痹诤说匮性焊痹洪L陳亮看來,“深地、深海、深空”是國家資源領域的重大戰略方向,“深地”是核地研院傳統技術的自然延伸,而月球樣品研究意味著他們從地球走向月球,向“深空”探索。

(本報北京9月10日電 本報記者 陳海波)

關鍵詞: 晶體結構 這是一個 北京地質研究院 礦物組成 理想晶體

責任編輯:hnmd004

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