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破译“嫦娥石”

常驻编辑 科普中国 2022-09-24 嫦娥   矿物学   矿物   月球   晶体   样品   颗粒   团队   结构   发现

“嫦娥石”和共生矿物扫描电镜照片。wMy拜客生活常识网

本栏图片由受访者提供wMy拜客生活常识网

“嫦娥石”理想晶体图。wMy拜客生活常识网

视频了解“嫦娥石”wMy拜客生活常识网

发现破译全过程wMy拜客生活常识网

9月9日,国家航天局、国家原子能机构联合宣布,中国科学家首次在月球上发现新矿物,并将其命名为“嫦娥石”。该矿物是人类在月球上发现的第六种新矿物,此次发现,标志着我国成为世界上第三个在月球发现新矿物的国家,这也是嫦娥五号月球样品研究取得的又一重大科学成果。wMy拜客生活常识网

此次发现过程中,研究团队通过X射线单晶衍射等一系列高新技术手段,在14万个月球样品颗粒中,分离出一颗粒径约10微米大小的单晶颗粒,并成功解译其晶体结构。经国际矿物学协会(IMA)新矿物命名及分类委员会(CNMNC)投票通过,确证为一种新矿物。wMy拜客生活常识网

嫦娥石发现的背后藏着哪些故事?嫦娥石的发现具有哪些意义?记者联系到有关单位和科研人员,解码此次发现过程中“千钧一发”的科研经历。wMy拜客生活常识网

针尖上“追逐”上万次wMy拜客生活常识网

新矿物显露端倪wMy拜客生活常识网

2021年6月,嫦娥五号月壤样品向全社会开放申请。中核集团核工业北京地质研究院(下称“核地研院”)以“裂变聚变核能元素研究”为主题进行申请,获批成为首批开展嫦娥五号月壤科研样品研究的单位之一。7月12日,50毫克月壤科研样品被交到了核地研院研究人员手中。wMy拜客生活常识网

尽管此次核地研院申领了50毫克月壤样品,但按相关要求,研究过程对月壤的消耗量不能超过20毫克。“这意味着,我们能用于研究的月壤大约只有5颗芝麻粒儿那么多。”核地研院第一批月球样品负责人黄志新研究员说。wMy拜客生活常识网

2021年9月9日,研究团队终于在超净室内开封月壤。对月壤进行矿物学研究,首先需要挑样分选月壤样品,将月壤按粒度和矿物种类分为7组。对地球样品进行挑样,可以利用仪器,或在取样针上涂抹凡士林等黏性物质辅助挑样。但对月壤不能使用仪器——仪器筛网上会粘住月壤,造成浪费;也不能借助任何外力,避免引入杂质。wMy拜客生活常识网

这意味着,月壤研究全部需要人工挑样。挑样时也只能靠不到1微米粗细的针尖摩擦提取月壤颗粒,或利用颗粒的凹槽去“捉”住目标颗粒。捉的时候,颗粒常常在玻片上到处“跑”,对挑样者的专注力、耐力都提出了极高要求。wMy拜客生活常识网

“挑样充满了痛苦的机械性重复和高度紧张。”核地研院月球研究团队研究骨干李婷说,需要长时间对着显微镜,使用针头小于0.5微米的纳米取样针,将月壤按分组规则一颗一颗转移到定制的铜坩埚中。由于挑样所使用的显微镜最小分辨率为4微米,她手部的移动距离可能不到几毫米,身体在作业时基本上处于僵硬状态。由于申请到的月壤颗粒按密度保守计算,每1毫克样品中不少于1万个颗粒,因此转移过程需重复上万次。wMy拜客生活常识网

2021年10月,对月壤的成分研究有了令人惊喜的发现。“我们发现了一个很小的微粒,成分组成和人类已知的矿物都不太一样。”李婷说,经过查阅资料对比分析,研究团队认为这组微粒中或许存在一种全新的矿物。wMy拜客生活常识网

转移“独苗”样本wMy拜客生活常识网

仿佛一场显微外科手术wMy拜客生活常识网

一种矿物如要被确定为新矿物,不仅要明确其中的成分组成,还需要提供其晶体结构信息。但是,研究团队对矿物结构的分析并不顺利。wMy拜客生活常识网

要想分析矿物结构,必须将目标颗粒与周围的颗粒剥离,使其成为一个纯净的单晶。但研究团队尽了最大的努力,都无法完全剔除与其共生的已知矿物辉石。直到第二批申请成功的月壤样品抵达核地研院。wMy拜客生活常识网

2021年7月29日,国家航天局正式公布第二批月球科研样品计划,核地研院团队成员、博士钟军积极申请,获得一件光片样品。这件样品仅约15毫克,相当于3—4颗芝麻粒,却包含着约14万个颗粒。第二批样品原本用于裂变元素研究,但因不愿轻易放弃已发现的新矿物线索,团队申请先使用这批样品重启新矿物研究。“只要能找到一个符合要求的颗粒,新矿物研究就有可能继续推进。”李婷说。wMy拜客生活常识网

申请很快得到了批准。最终,研究团队发现只有一个符合要求的颗粒,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。wMy拜客生活常识网

1月8日,研究团队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10 4 7微米、不到普通人头发平均直径1/10大小的单晶颗粒。

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