“嫦娥石”發(fā)現(xiàn)記
——核技術(shù)助力我國(guó)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(xiàn)禮。2022 年9 月9 日，在中秋節(jié)來臨前，國(guó)家航天局、國(guó)家原子能機(jī)構(gòu)聯(lián)合在京發(fā)布嫦娥五號(hào)最新科學(xué)成果。國(guó)家原子能機(jī)構(gòu)副主任董保同宣布，我國(guó)首次發(fā)現(xiàn)的月球新礦物，經(jīng)國(guó)際礦物學(xué)會(huì)新礦物分類及命名委員會(huì)批準(zhǔn)，正式命名為“嫦娥石”。這是我國(guó)在空間科學(xué)領(lǐng)域取得的一項(xiàng)重大科學(xué)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(guó)成為世界上第三個(gè)發(fā)現(xiàn)月球新礦物的國(guó)家。

悉心守護(hù) “核”力拓疆 核技術(shù)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(yùn)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(hào)返回器攜帶1731 克月球樣品成功著陸四子王旗，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首次地外天體采樣返回，我國(guó)成為世界上第三個(gè)從月球取回樣品的國(guó)家，這也是人類時(shí)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(duì)月球和太陽系的認(rèn)知，國(guó)家航天局出臺(tái)了《月球樣品管理辦法》，鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀科學(xué)家開展月球科學(xué)研究。同時(shí)，制定了嚴(yán)格的月球樣品借用申請(qǐng)流程，每個(gè)樣品借用申請(qǐng)都要先后經(jīng)過院士專家函評(píng)和月球樣品專家委員會(huì)評(píng)審等階段。

月球樣品的稀有及其蘊(yùn)含的地月演化等若干關(guān)鍵科學(xué)問題，激發(fā)了國(guó)內(nèi)廣大科研工作者的熱情，月球樣品的申請(qǐng)競(jìng)爭(zhēng)也異常激烈。在國(guó)家原子能機(jī)構(gòu)支持下，中核集團(tuán)核工業(yè)北京地質(zhì)研究院（簡(jiǎn)稱“核地研院”）精細(xì)謀劃，積極申請(qǐng)和激烈競(jìng)爭(zhēng)，經(jīng)月球樣品專家委員會(huì)評(píng)審?fù)镀保说匮性撼晒Λ@批了50 毫克月球樣品，成為首批開展嫦娥五號(hào)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(zhì)為主的多科學(xué)綜合性研究機(jī)構(gòu)，為我國(guó)原子能事業(yè)發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。我國(guó)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(guó)找鈾礦，上世紀(jì)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(guó)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(guó)北山地下實(shí)驗(yàn)室。

嫦娥五號(hào)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(guó)科學(xué)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(tuán)組建了以我國(guó)鈾礦地質(zhì)領(lǐng)域領(lǐng)軍人才李子穎研究員為首的研究團(tuán)隊(duì)，成立月球樣品分析檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，聚焦嫦娥五號(hào)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(chǔ)地質(zhì)科學(xué)問題攻關(guān)。

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(tuán)隊(duì)以“核能聚變?cè)匮芯俊睘橹黝}，申請(qǐng)到第一批月球樣品；4 個(gè)月后，又以“核能鈾釷裂變?cè)匮芯俊睘橹黝}，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(chǔ)礦物學(xué)研究時(shí)，科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)一種化學(xué)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。“炕”異化音譯為“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(tuán)隊(duì)又將目光投向了第二個(gè)月球樣品，通過X 射線衍射等一系列高新技術(shù)手段對(duì)月球樣品進(jìn)行分析研究，最終在十四萬個(gè)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(rèn)新礦物所需的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并被認(rèn)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(rèn)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(tuán)隊(duì)反復(fù)討論，拿出了完善的研究方案、清晰的研究思路、詳細(xì)的研究?jī)?nèi)容，在成功借用到月球樣品之后，很快便按設(shè)計(jì)方案進(jìn)入了研究流程。“在開展基礎(chǔ)礦物學(xué)研究時(shí)，一類含鈣磷酸鹽礦物的微小顆粒引起了科研團(tuán)隊(duì)的注意。”核地研院第一批月球樣品責(zé)任人黃志新介紹說，這是一種含量極少、粒度極小（約十微米，相當(dāng)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(tuán)隊(duì)初步判斷這極有可能是一種新的礦物。

科研團(tuán)隊(duì)對(duì)這個(gè)新發(fā)現(xiàn)也都非常興奮，緊鑼密鼓開展了后續(xù)的針對(duì)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(tuán)隊(duì)向著新礦物的發(fā)現(xiàn)又進(jìn)了一步。接下來，按照新礦物發(fā)現(xiàn)的慣例，除確定準(zhǔn)確的化學(xué)成分之外，還必須開展礦物單晶的晶體結(jié)構(gòu)精確解譯。但是由于顆粒太小，最大的一顆是一個(gè)10微米左右的顆粒，和輝石交互共生在一起，無論實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)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(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人李子穎說。終于，在統(tǒng)計(jì)了第二個(gè)樣品靶上14 萬多個(gè)顆粒后，找到了一些蹤跡，但有希望測(cè)到單晶結(jié)構(gòu)的只有一顆，而這一顆還裂成了三小塊。晶體結(jié)構(gòu)測(cè)量，需要把它切下來。

核地研院第二批月球樣品使用責(zé)任人鐘軍表示，“這是一項(xiàng)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(jí)（十分之一頭發(fā)絲直徑大小）的潛在新礦物單晶，并將其分離出來。”具體來說，要使用高能的聚焦離子束，將這個(gè)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(xì)解譯其結(jié)構(gòu)。為保證切割下來的目標(biāo)礦物成分均勻、不含其他雜質(zhì)礦物包體，要邊物理切割邊測(cè)量成分、再修掉多余的雜質(zhì)部分直到切割的礦物成分完全均勻?yàn)橹埂Ｔ虑驑悠返V物學(xué)研究主要負(fù)責(zé)人李婷研究員形象地說，“這基本上就是一項(xiàng)在針尖上跳舞的任務(wù)！”

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(tuán)隊(duì)利用X 射線礦物衍射分析儀開展了精細(xì)結(jié)構(gòu)解譯，準(zhǔn)確確定這個(gè)礦物的晶體結(jié)構(gòu)，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?jī)r(jià)值。

融合共進(jìn) 創(chuàng)新突破 攜手推進(jìn)月球樣品研究

為致敬中國(guó)探月工程，致敬中國(guó)科技工作者，弘揚(yáng)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(guó)天體礦物學(xué)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(jīng)驗(yàn)。

發(fā)布活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，探月工程副總指揮、國(guó)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(hào)其他最新科學(xué)成果情況。據(jù)悉，各領(lǐng)域科研團(tuán)隊(duì)積極開展研究工作，成果顯著，目前已在國(guó)內(nèi)外著名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表文章23 篇，申請(qǐng)專利1 項(xiàng)。近期發(fā)布的成果主要包括巖漿分異、太空風(fēng)化、氦-3 氣體以及生物能轉(zhuǎn)化等方面，對(duì)認(rèn)識(shí)月球起源與演化，探尋月球資源有效利用及實(shí)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(guó)家航天局已經(jīng)完成了四批152 份共計(jì)53625.7mg的月球樣品發(fā)放。有33 家科研單位的98 位申請(qǐng)人通過申請(qǐng)。第五批樣品申請(qǐng)已完成評(píng)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(tuán)等多個(gè)部門單位，國(guó)外科學(xué)家和留學(xué)生也參加了聯(lián)合研究。

此次核科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用在月球樣品研究中起到了重要推動(dòng)作用。除“嫦娥石”外，核地研院研究團(tuán)隊(duì)還首次準(zhǔn)確測(cè)定了嫦娥五號(hào)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(píng)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(dòng)了我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)、空間科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)等若干領(lǐng)域的深入發(fā)展，促進(jìn)了眾多技術(shù)學(xué)科的交叉融合，獲得一系列原創(chuàng)性成果，深化了人類對(duì)月球和太陽系的認(rèn)知。

星空浩瀚無比，探索永無止境。董保同強(qiáng)調(diào)，國(guó)家航天局與國(guó)家原子能機(jī)構(gòu)作為我國(guó)航天、核領(lǐng)域政府主管部門，將繼續(xù)致力于促進(jìn)航天技術(shù)與核技術(shù)的融合共進(jìn)、創(chuàng)新突破，為和平利用太空、和平利用核能、增進(jìn)人類福祉，作出新的貢獻(xiàn)。