“嫦娥石”發(fā)現(xiàn)記
——核技術助力我國首次發(fā)現(xiàn)月球新礦物

本刊記者 蔡金曼 李 楠 崔 力 /文

嫦娥石理想晶體圖

中秋佳節(jié)，“嫦娥”獻禮。2022 年9 月9 日，在中秋節(jié)來臨前，國家航天局、國家原子能機構聯(lián)合在京發(fā)布嫦娥五號最新科學成果。國家原子能機構副主任董保同宣布，我國首次發(fā)現(xiàn)的月球新礦物，經國際礦物學會新礦物分類及命名委員會批準，正式命名為“嫦娥石”。這是我國在空間科學領域取得的一項重大科學成果，也是核與航天跨行業(yè)、跨專業(yè)合作的一次成功探索，我國成為世界上第三個發(fā)現(xiàn)月球新礦物的國家。

悉心守護 “核”力拓疆 核技術助力月球樣品研究

月球作為地球唯一的天然衛(wèi)星，是距離地球最近的“鄰居”，蘊藏了地球、太陽系起源和演化的無窮奧秘。2020 年12 月17 日，嫦娥五號返回器攜帶1731 克月球樣品成功著陸四子王旗，實現(xiàn)了我國首次地外天體采樣返回，我國成為世界上第三個從月球取回樣品的國家，這也是人類時隔44 年再次將月球樣品帶回地球。

珍貴的月球樣品來之不易，為充分發(fā)揮月球樣品的作用，取得更多更好的重磅科研成果，深化對月球和太陽系的認知，國家航天局出臺了《月球樣品管理辦法》，鼓勵國內外優(yōu)秀科學家開展月球科學研究。同時，制定了嚴格的月球樣品借用申請流程，每個樣品借用申請都要先后經過院士專家函評和月球樣品專家委員會評審等階段。

月球樣品的稀有及其蘊含的地月演化等若干關鍵科學問題，激發(fā)了國內廣大科研工作者的熱情，月球樣品的申請競爭也異常激烈。在國家原子能機構支持下，中核集團核工業(yè)北京地質研究院（簡稱“核地研院”）精細謀劃，積極申請和激烈競爭，經月球樣品專家委員會評審投票，核地研院成功獲批了50 毫克月球樣品，成為首批開展嫦娥五號月球樣品研究的13 家科研單位之一。

核地研院成立于1959 年，是以鈾礦地質為主的多科學綜合性研究機構，為我國原子能事業(yè)發(fā)展作出了重要貢獻。我國第一塊鈾礦石—曾被呈送中南海，受到毛主席和周總理等老一輩革命家研觀的“開業(yè)之石”，如今完好地保存在這里，是該院“鎮(zhèn)院之寶”。

除了為祖國找鈾礦，上世紀80 年代起，核地研院還有一批科研人員，在找尋一塊“瘋狂的石頭”。30 多年間，一代又一代研究人員前赴后繼，踏遍祖國山川，終于在西北荒漠戈壁腹地找到了合適的選址，建起了中國北山地下實驗室。

嫦娥五號返回后，取回的月球樣品令核地研院科研人員興奮不已，紛紛表示“中國科學家終于有自己的月球樣品開展地月演化研究了！”

為此，中核集團組建了以我國鈾礦地質領域領軍人才李子穎研究員為首的研究團隊，成立月球樣品分析檢測實驗室，聚焦嫦娥五號月球樣品裂變聚變核能元素研究，開展自主月球核能資源基礎地質科學問題攻關。

全副武裝開展月球樣品研究的科研人員

2021 年7 月，核地研院月球樣品研究團隊以“核能聚變元素研究”為主題，申請到第一批月球樣品；4 個月后，又以“核能鈾釷裂變元素研究”為主題，成功獲得了第二批月球樣品——1 件15 毫克的月球樣品光片。

在開展第一批月球樣品基礎礦物學研究時，科研團隊發(fā)現(xiàn)一種化學成分與已知礦物具有明顯區(qū)別的礦物，敏銳的捕獲到了新礦物的蹤跡。

下面這首“花兒”英譯中保留了“眼淚淌得像江河”這句夸張修辭?！翱弧碑惢糇g為“Kang”，然后注釋: “Kang is a kind of brick bed in North China which can be heated by firewood.”

由于新礦物顆粒太小，科研團隊又將目光投向了第二個月球樣品，通過X 射線衍射等一系列高新技術手段對月球樣品進行分析研究，最終在十四萬個月球樣品顆粒中再次找到了該新礦物的蹤跡，最終成功獲得確認新礦物所需的結構數(shù)據(jù)，并被認可為新礦物。月球新礦物的發(fā)現(xiàn)，豐富了人類已知的月球礦物種類，拓寬了人類的認知邊界。

在針尖上跳舞 從蛛絲馬跡中發(fā)現(xiàn)新礦物

在月球樣品獲批之前，研究團隊反復討論，拿出了完善的研究方案、清晰的研究思路、詳細的研究內容，在成功借用到月球樣品之后，很快便按設計方案進入了研究流程?！霸陂_展基礎礦物學研究時，一類含鈣磷酸鹽礦物的微小顆粒引起了科研團隊的注意。”核地研院第一批月球樣品責任人黃志新介紹說，這是一種含量極少、粒度極?。s十微米，相當于頭發(fā)絲直徑的十分之一）的一類含鈣磷酸鹽礦物，它的能譜譜圖不同于其他已知同元素種類的礦物，團隊初步判斷這極有可能是一種新的礦物。

科研團隊對這個新發(fā)現(xiàn)也都非常興奮，緊鑼密鼓開展了后續(xù)的針對性研究工作。

月球樣品的成分確定很快就完成了，其元素比值不同于目前發(fā)表的任何其他已知月球礦物，這表明團隊向著新礦物的發(fā)現(xiàn)又進了一步。接下來，按照新礦物發(fā)現(xiàn)的慣例，除確定準確的化學成分之外，還必須開展礦物單晶的晶體結構精確解譯。但是由于顆粒太小，最大的一顆是一個10微米左右的顆粒，和輝石交互共生在一起，無論實驗手段還是后期的數(shù)據(jù)處理都沒有辦法把輝石剔除干凈，因此一直沒有獲得理想的結構數(shù)據(jù)。

“不能就這么放棄，第一批樣品顆粒太小，那我們就繼續(xù)在第二批樣品中尋找”，核地研院月球樣品研究團隊負責人李子穎說。終于，在統(tǒng)計了第二個樣品靶上14 萬多個顆粒后，找到了一些蹤跡，但有希望測到單晶結構的只有一顆，而這一顆還裂成了三小塊。晶體結構測量，需要把它切下來。

核地研院第二批月球樣品使用責任人鐘軍表示，“這是一項極具挑戰(zhàn)的工作，意味著我們需要在約5 厘米的光片靶上，精確定位微米級（十分之一頭發(fā)絲直徑大?。┑臐撛谛碌V物單晶，并將其分離出來?！本唧w來說，要使用高能的聚焦離子束，將這個微米尺度的潛在新礦物單晶切割下來并焊接在鎢針上，以便放置到后續(xù)儀器上精細解譯其結構。為保證切割下來的目標礦物成分均勻、不含其他雜質礦物包體，要邊物理切割邊測量成分、再修掉多余的雜質部分直到切割的礦物成分完全均勻為止。月球樣品礦物學研究主要負責人李婷研究員形象地說，“這基本上就是一項在針尖上跳舞的任務！”

在科研人員的不懈努力下，最終成功分離出了一顆粒徑為10＊7＊4 微米的單晶顆粒，隨后團隊利用X 射線礦物衍射分析儀開展了精細結構解譯，準確確定這個礦物的晶體結構，最終確定了這是一種新的月球礦物。

新的月球礦物是一種磷酸鹽礦物，呈柱狀晶體，發(fā)現(xiàn)于月球玄武巖顆粒中。雖然玄武巖在地球上很常見，但之前從未在月球發(fā)現(xiàn)過，具有重要研究價值。

融合共進 創(chuàng)新突破 攜手推進月球樣品研究

為致敬中國探月工程，致敬中國科技工作者，弘揚中華民族傳統(tǒng)月亮文化，集中展示月球研究的新發(fā)現(xiàn)新成果，這一新的月球礦物被命名為“嫦娥石”。

“嫦娥石”的發(fā)現(xiàn)作為我國天體礦物學研究的重大突破性成果，為月球起源和演化研究提供了重要線索，為研究深空樣品積累了寶貴經驗。

發(fā)布活動現(xiàn)場，探月工程副總指揮、國家航天局探月與航天工程中心主任劉繼忠介紹了嫦娥五號其他最新科學成果情況。據(jù)悉，各領域科研團隊積極開展研究工作，成果顯著，目前已在國內外著名學術期刊上發(fā)表文章23 篇，申請專利1 項。近期發(fā)布的成果主要包括巖漿分異、太空風化、氦-3 氣體以及生物能轉化等方面，對認識月球起源與演化，探尋月球資源有效利用及實現(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。

截至目前，國家航天局已經完成了四批152 份共計53625.7mg的月球樣品發(fā)放。有33 家科研單位的98 位申請人通過申請。第五批樣品申請已完成評審，后續(xù)按程序發(fā)放。發(fā)放樣品的單位涵蓋中科院、教育部、自然資源部、核工業(yè)集團等多個部門單位，國外科學家和留學生也參加了聯(lián)合研究。

此次核科學技術的應用在月球樣品研究中起到了重要推動作用。除“嫦娥石”外，核地研院研究團隊還首次準確測定了嫦娥五號月壤樣品中氦-3 含量和最佳提取溫度。這為今后月球樣品中氦-3 量的評估提供了重要數(shù)據(jù)支撐。

以探月工程為代表的重大航天工程帶動了我國基礎科學、空間科學和應用科學等若干領域的深入發(fā)展，促進了眾多技術學科的交叉融合，獲得一系列原創(chuàng)性成果，深化了人類對月球和太陽系的認知。

星空浩瀚無比，探索永無止境。董保同強調，國家航天局與國家原子能機構作為我國航天、核領域政府主管部門，將繼續(xù)致力于促進航天技術與核技術的融合共進、創(chuàng)新突破，為和平利用太空、和平利用核能、增進人類福祉，作出新的貢獻。