尋石記

陳海波

兩年前，嫦娥五號帶回了1731克月球“土特產(chǎn)”。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。

找到這個禮物的，是一群特殊的人——中核集團核工業(yè)北京地質(zhì)研究院（以下簡稱“核地研院”）的科研人員。60多年前，這里的地質(zhì)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(fā)射后，一群地質(zhì)科研人員的思考。作為我國唯一的綜合型鈾礦地質(zhì)科研機構(gòu)，過去60多年里，核地研院的科研人員一直在地球上尋找鈾礦石。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(chǔ)科學(xué)研究，它能推動和帶動一系列相關(guān)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步。”核地研院月球研究團隊牽頭人李子穎說。

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毫克月壤樣品抵達(dá)核地研院，他們興奮而又忐忑。“我們簽訂的協(xié)議中規(guī)定，這50毫克中只能損耗20毫克。”核地研院第一批月球樣品負(fù)責(zé)人黃志新說。20毫克是什么概念？“大概相當(dāng)于1顆大點兒的米粒。”他說，用好每一個顆粒、確保極低的樣品損耗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1～150微米之間，“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(shù)量很大，有挑選的余地。可是月壤不一樣，是極其珍貴的，即使這么微小的顆粒，也不能白白損耗掉。”核地研院研究員李婷告訴記者。

針尖上的舞者

根據(jù)不同的實驗?zāi)康模蒲腥藛T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(guī)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的組成以及減少樣品損耗，這個步驟需要在顯微鏡下操作完成。科研人員使用針頭直徑小于0.5微米的納米取樣針，將月壤顆粒逐一轉(zhuǎn)移到對應(yīng)的銅坩堝中，這個動作至少得重復(fù)上萬次。

“通常我們在挑選地球樣品時，可以將凡士林等有一定黏性的物質(zhì)涂抹在針上幫助粘取樣品，然后再將其穩(wěn)妥轉(zhuǎn)移到其他地方。而月壤的挑選不允許引入外來物質(zhì)，只能靠針尖和顆粒之間因摩擦產(chǎn)生的一點兒靜電吸附住樣品。”李婷回憶著當(dāng)初的工作情形，形容那時的自己為“針尖上的舞者”。

這個過程極其考驗?zāi)托摹＠铈眯枰L時間坐在桌前，緊盯顯微鏡，用纖細(xì)的納米取樣針反復(fù)嘗試剝?nèi)〔坏?.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(wěn)住即將崩潰的情緒和僵硬的肩膀繼續(xù)一遍遍嘗試。

就這樣，李婷與這些月壤“死磕”了兩個多月。在這一過程中，她對月壤有了更深入的了解。當(dāng)分析因此獲得的大量數(shù)據(jù)時，她發(fā)現(xiàn)月壤中有一種含鈣的磷酸鹽礦物，它含有的稀土元素遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人們以往認(rèn)識的此類礦物結(jié)構(gòu)中通常擁有的數(shù)量。這個發(fā)現(xiàn)讓大家激動不已。他們預(yù)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(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)，這是它們身份的標(biāo)志。因此，發(fā)現(xiàn)一個新礦物，必須搞清楚它的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)。李婷發(fā)現(xiàn)的疑似新礦物，是一顆直徑不足10微米的月壤顆粒。他們馬上開展了針對性的系統(tǒng)研究，并測定了該礦物的化學(xué)組成。如果再進(jìn)一步獲取它的理想晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，那就可以證實其是一種全新的礦物。然而，他們失敗了。

由于月壤顆粒太小，且和輝石共生，無論是采取實驗手段還是通過后期的數(shù)據(jù)處理都沒有辦法把輝石剔除干凈，因此，研究人員一直沒能獲得理想的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。但是研究人員并沒有放棄，他們申請獲得了第二批月球樣品——月球光片樣品，繼續(xù)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(jié)構(gòu)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(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)的精確解譯。“頭發(fā)的直徑是70～100微米，這個顆粒最長的邊是10微米，短邊大概只有4微米，也就是頭發(fā)絲的1/20，所以要把它完完整整地切出來非常困難，而且只有一次機會。”李婷說。

只有一次機會，意味著只能成功不許失敗，他們心理壓力很大。“我們做了很多預(yù)案，開展了一些模擬實驗。”核地研院地礦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微米的單晶顆粒。整個過程用了8小時，但他們的興奮持續(xù)了很久。“我們倆晚上回實驗室的時候，還一直在路上聊這個，非常開心。”鐘軍回憶道。

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(jié)構(gòu)，成功確定這是一種從未被人類發(fā)現(xiàn)過的礦物——嫦娥石，這是他們?nèi)〉拿帧！凹o(jì)念我們國家的嫦娥工程，也表達(dá)我們對航天事業(yè)的敬意。”李子穎說。

無色透明的柱狀晶體

嫦娥石是什么樣？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學(xué)協(xié)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(fā)現(xiàn)的第一個月球新礦物，也是人類發(fā)現(xiàn)的第6個月球新礦物，這使我國成為世界上第三個發(fā)現(xiàn)月球新礦物的國家。

“對我們來說，發(fā)現(xiàn)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(dǎo)和參與發(fā)現(xiàn)了17種新礦物，儲備了扎實的礦物學(xué)知識和先進(jìn)的研究技術(shù)。新礦物的發(fā)現(xiàn)，將推動礦物學(xué)科的發(fā)展，也為研究月球的形成和演化，以及以月球為基地進(jìn)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(shù)，為我國后續(xù)進(jìn)行月球氦-3資源的遙感預(yù)測和資源總量估算，以及氦-3資源未來開發(fā)提供了基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)。此外，此次研究還系統(tǒng)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。”在核地研院副院長陳亮看來，“深地、深海、深空”是國家資源領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略方向，“深地”是核地研院傳統(tǒng)技術(shù)的自然延伸，而月球樣品研究意味著他們從地球走向月球，開始向“深空”探索。

本文轉(zhuǎn)自《光明日報》