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寻石记——发现嫦娥石

  嫦娥石理想晶体图 国家航天局供图

  中核集团核工业北京地质研究院科研人员正在研究月壤。中核集团核工业北京地质研究院供图

   两年前,嫦娥五号带回了1731克月球“土特产”。日前,人们又得到了来自月球的礼物——嫦娥石,一种全新的矿物。

   找到这个礼物的,是一群特殊的人——中核集团核工业北京地质研究院(以下简称核地研院)科研人员。60多年前,这些地质科研人员在地球上找铀矿。如今,他们从月球的土壤里找新矿,从“深地”走向“深空”。

  “我们能做什么?”

   “我们能做什么?”这是2020年11月24日嫦娥五号成功发射后,一群地质科研人员的思考。

   作为我国唯一的综合型铀矿地质科研机构,过去60多年里,核地研院的科研人员一直在地球上找石头——铀矿石。嫦娥五号将带着月球土壤返回地球,这让他们有了新的想法和追求。

   “月球样品研究,是典型的前沿基础科学研究,它能推动和带动一系列相关科学技术进步。”核地研院月球研究团队牵头人李子颖说。

   2021年7月12日,这是核地研院科研人员不会忘记的日子。这一天,第一批50毫克的月壤样品抵达核地研院,他们兴奋而又忐忑。“我们签订的协议中规定,这50毫克中只能损耗20毫克。”核地研院第一批月球样品负责人黄志新说。

   20毫克是什么概念?“大概相当于1颗大点的米粒。”他说,用好每一个颗粒、确保极低的样品损失量是团队每个人的共识。

   按密度保守计算,这批月壤每1毫克中不少于1万个颗粒。颗粒的尺寸在1微米到150微米之间,小的不足人类头发直径的百分之一,大的也只有一根头发粗,“打一个喷嚏都会让它失去踪迹”。

   “以往,地球样本相对好获取,样本数量很大,有挑选的余地。可是月壤不一样,是极其珍贵的,即使这么微小的颗粒,也不能白白损耗掉。”核地研院研究员李婷告诉记者。

  “针尖上的舞者”

   根据不同的实验目的,科研人员需要将月壤按粒度和矿物种类分成7组——将成千上万的微小月壤颗粒,按分组规则挑选出来,然后放入不同的试验器皿。

   为了尽量不因挑样而改变月壤矿物组成以及减少样品损失,这个步骤需要在显微镜下操作完成。科研人员使用针头小于0.5微米的纳米取样针,将月壤一颗一颗地转移到对应的铜坩埚中,这个动作至少得重复上万次。

   “通常我们挑选地球样品时,可以将凡士林等有一定黏性的物质涂抹在针上帮助蘸取样品,再稳妥转移到其他地方。而月壤的挑选不允许引入外来物质污染,只能靠针尖和颗粒之间摩擦产生的一点静电吸附住样品。”李婷向记者回忆当初的工作情形,将其形容为“针尖上的舞者”。

   这个过程极其考验耐心。李婷需要长时间坐在桌前,紧盯显微镜,用纤细的纳米取样针反复尝试剥取不到0.000001毫克的颗粒。常常遇到的情况是,针尖推着颗粒在玻璃片上来回跑,就是取不起来。只能深呼吸,稳住崩溃的情绪和僵硬的肩膀继续一遍遍尝试。

   就这样,李婷与这些月壤“死磕”了两个多月。在“死磕”中,她对月壤有了更深的了解。当分析因此获得的大量数据时,她发现月壤中有一种含钙的磷酸盐矿物。它含有的稀土元素,远远高于人们以往认识的此类矿物结构中可以达到的数量。

   这个发现让大家激动不已。他们预感到,这很可能是一种新矿物。

  十四万分之一的机会

   每种矿物都有其特殊的化学成分(即由哪些元素构成)和晶体结构(即元素是如何排列的),这是它们身份的标志。因此,发现一个新矿物,必须搞清楚它的化学成分和晶体结构。

   李婷发现的疑似新矿物,是一颗不足10微米的月壤颗粒。他们马上开展了针对性的系统研究,并测定了该矿物的化学组成。如果再进一步获取它的理想晶体结构参数,那就可以证实这是一个全新的矿物。

   然而,他们失败了。

   由于颗粒太小,且和辉石交互共生在一起,无论实验手段还是后期的数据处理都没有办法把辉石剔除干净,因此一直没法获得理想的晶体结构数据。

   “但是我们没有放弃。”李婷说。

   他们申请获得了第二批月球样品——月球光片样品,继续开展研究。这个样品大约有14万个颗粒,他们从中再次找到了新矿物的踪迹。但是,有希望测到单晶结构的颗粒只有一颗,而这一颗还裂成了三小块。要想验证新矿物的存在,必须把它分离出来,进行晶体结构的精确解译。

   “头发的直径大概是70到100微米,这个颗粒最长的边是10微米,短的边大概只有4微米,也就是头发丝的1/20,所以要把它完完整整地切出来非常困难,而且只有这一次机会。”李婷说。

   只有一次机会,那意味着只能成功不许失败,他们心理压力很大。“我们做了很多预案,开展了一些模拟实验。”核地研院地矿所副所长钟军告诉记者。

   最终,他们在聚焦离子束电子显微镜的帮助下,在14万个颗粒中成功分离出一颗粒径约10微米、不到普通人头发平均直径十分之一大小的单晶颗粒。整个过程用了8个小时,但他们的兴奋持续了更久。“我们俩晚上回实验室的时候,还一直在路上聊这个,非常开心。”钟军回忆道。

   带着一种迫不及待的心情,他们随后对这个单晶颗粒开展解译工作,获得了它的晶体结构,成功确定这是一种从未被人类发现过的矿物——嫦娥石,这是他们取的名字。“纪念我们国家的嫦娥工程,也表达我们对航天事业的敬意。”李子颖说。

  无色透明的柱状晶体

   嫦娥石什么样?

   李婷向记者展示了嫦娥石真实颗粒的CT扫描图,这是一个漂亮的柱状晶体,无色、透明。它是一种磷酸盐矿物,存在于玄武岩中,伴生矿物有铁橄榄石、单斜辉石、钛铁矿、钙长石、斜锆石、方石英、陨硫铁和玻璃等。

   2022年8月,嫦娥石获得国际矿物协会新矿物命名及分类委员会通过,确证为一种新矿物。这是我国发现的第一个月球新矿物,也是人类发现的第六个月球新矿物,这使我国成为世界第三个发现月球新矿物的国家。

   “对我们来说,发现月球新矿物是偶然,也是必然。”李婷说,近十年来,核地研院主导和参与发现17种新矿物,储备了扎实的矿物学知识和先进的研究技术。

   李子颖认为,新矿物的发现,将推动矿物学科的发展,也为研究月球形成和演化,以及以月球为基地进行其他深空探测等提供帮助。

   此次月壤样品研究,还首次成功获得嫦娥五号月壤中未来聚变能源资源——氦-3含量和提取参数,为我国后续进行月球氦-3资源的遥感预测和资源总量估算,以及氦-3资源未来开发提供了基础科学数据。此外,还系统获得了嫦娥五号月球样品的形貌及矿物组成,为研究月球演化和形成提供了有力支撑。

   “这是一个重要的开端。”在核地研院副院长陈亮看来,“深地、深海、深空”是国家资源领域的重大战略方向,“深地”是核地研院传统技术的自然延伸,而月球样品研究意味着他们从地球走向月球,向“深空”探索。

   (本报北京9月10日电 本报记者 陈海波)

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