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
(资料图片)
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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