對話吉大張偉：嫦娥六號月壤中首次發現天然單壁碳納米管和石墨碳，或可用于月球基地建設

搜狐科技《思想大爆炸——對話科學家》欄目第147期，對話吉林大學唐敖慶學者－卓越教授、英國皇家化學會會士張偉。

嘉賓簡介：

張偉，吉林大學唐敖慶學者－卓越教授、測試科學實驗中心主任兼電子顯微鏡中心主任、英國皇家化學會會士，多次入選科睿唯安“全球高被引科學家榜單”。開發了“電子束為‘墨’、石墨烯當‘紙’”的納米書寫技術。系統研究了月壤樣品，首次發現了包括月球正面的天然少層石墨烯與月球背面的天然單壁納米碳管等納米碳結構，據此提出了月壤納米碳的催化形成機制。研究方向為先進材料的電子顯微分析、催化和能源材料的表界面化學。

• 石墨碳的確認主要依賴拉曼光譜和高分辨成像，而單壁碳管的發現則是在已識別碳區域的基礎上，通過高分辨電鏡成像直接觀測到其獨特結構。

• 月球上的碳納米管普遍更短，而且幾乎全部為末端封閉結構。

• 碳是多功能元素，能以多種納米形式存在，它既是催化劑，也可以作為催化載體，像單壁碳管，還具有超高強度、高導電性的特點。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

編輯｜楊 錦

當我們仰望夜空中皎潔的月亮時，或許想象的是環形山、是月海，甚至是荒涼的巖石塵埃。其實，月球上還藏著許多亟待發掘的“碳寶藏”。

繼上次吉林大學科研團隊在嫦娥五號帶回的月壤中發現天然少層石墨烯后，近日又在嫦娥六號月壤樣品中發現并確認了天然形成的單壁碳納米管和石墨碳，這也是國際首次。

這一發現不僅揭示了月球表面“高能物理-化學過程”的精細程度，印證了月球背面地質活動非常活躍，也為研究月球演化史提供了關鍵數據。目前，該研究已經發表于美國化學會《納米快報》。

天然單壁碳納米管和石墨碳從何而來？它能否為未來月球基地建設提供材料線索？帶著這些疑問，搜狐科技再次對話了吉林大學張偉教授，聽他解讀月壤中那些隱匿的“碳密碼”。

“火眼金睛”探秘月球天然碳納米管

張偉首先解釋了為什么團隊能在月壤中發現天然單壁碳管和石墨碳。

“傳統地質學研究者通常更關注礦物等目標，在處理月壤樣品時，可能會破壞其中微小、原始的碳結構，而我們是通過多種電鏡技術與譜學方法的聯用，結合微觀原子結構成像與化學成分分析觀測到的。”

石墨碳的確認主要依賴拉曼光譜和高分辨成像，而單壁碳管的發現則是在已有碳區域的基礎上，通過高分辨電鏡成像直接觀測到其獨特結構的。

張偉還詳細介紹了這些技術。高分辨透射電子顯微鏡可以用于觀察材料的原子級晶格結構；高角環形暗場像能提供更直觀的非相干原子像，直接顯示原子位置；電子能量損失譜不僅能鑒定元素種類，還能精確分析元素的化學價態和成鍵方式。

而拉曼光譜則是連接宏觀性能和微觀結構的橋梁，通過探測分子振動來鑒別特定的物質狀態，這對碳材料的研究至關重要。

其實，早在1991年，日本科學家飯島澄男（Sumio Iijima）就首次在透射電鏡下發現了碳納米管，但他發現的是人工電弧放電制備的碳納米管。而張偉雖然也使用了透射電鏡，但是是首次在月壤樣品中證實了天然形成的單壁碳納米管的存在。

在分析嫦娥五號樣品時，張偉就曾對搜狐科技表示嫦娥六號樣品中很有可能存在天然少層石墨烯或類似物，通過對比發現的確如此。

石墨烯本質上也是石墨的一種特殊形態，只不過，基于目前的數據，六號樣品中的石墨缺陷比較多，這可能與月球背面更強烈的微隕石撞擊等極端事件有關。

對此，張偉表示：“微隕石撞擊提供能量，火山活動也提供能量和載體，太陽風則提供碳源（碳離子），這些因素結合起來，就像是一個‘神奇的造物主’在創作東西，默默催化著特殊碳結構的形成，而透射電鏡就如同‘火眼金睛’，能直接觀察和確認這些精細的微觀結構。”

在“火眼金睛”加持下，張偉的確發現月球上天然形成的碳納米管與實驗室人工合成的碳納米管在形態上存在著明顯差異：月球上的普遍更短，而且幾乎全部為末端封閉結構，而通常人工合成的碳納米管末端也可以是開口的。

“所以你看，不同于地球的氧氣環境，月球沒有大氣保護，處于高度還原狀態，大自然這‘造物主’在極端條件下真的具有創造特殊精細材料的獨特能力。”張偉感嘆道。

為人類找到了分析月球的突破口

可以說，團隊通過對嫦娥六號月壤樣品的精細分析，發現了碳管更短、石墨缺陷更多等微觀證據，為“月球背面地質活動非常活躍”提供了直接的實驗證據，也為月球演化模型增添了關鍵拼圖。

“不過，我也要糾正一下，我們只是說月球背面非常活躍，并沒有說比正面活躍，通過揭示月球不同區域的物質差異，可以幫我們更好地理解行星的差異性演化歷史。”張偉如是說。

繼在嫦娥五號樣品中發現少層石墨烯后，此次又發現碳納米管和石墨碳，張偉稱碳是整個星際中一個非常關鍵的元素。

對地球來講，碳的重要性不言而喻，我們的生命基礎、物質循環以及關鍵的能源都離不開碳。而在月球上發現天然石墨烯與納米碳管，不僅是材料上的突破，更是為人類找到了一個分析月球的突破口。

“未來在月球以及深空探測中，大家圍繞碳材料以及相關領域一定會展開更多、更熱的研究，逐漸形成一個龐大的研究體系。”張偉展望道。

談到這，我們不免發問，這些天然形成的先進碳材料，未來在月球科研站建設、原位資源利用方面有哪些潛在的應用場景呢？

對此，張偉首先講述了他近日在哈爾濱應邀參加的“月球原位自主智造基礎研究創新論壇”的經歷。

“其實會上有很多科學家談到了在月球建房子，實現月球通信等等，我覺得，在暢想遙遠的月球基建的同時，我們更應該務實聚焦于如何就地利用月球資源的研究，這樣能避免我們從地球運送昂貴材料上去。”

月球上有碳、鐵以及礦物資源，張偉稱碳資源之所以重要，是因為碳是多功能元素，能以多種納米形式存在，比如石墨烯、碳管等，它既是催化劑，也可以作為催化載體。

如果我們在月球上找到富含碳的區域，就可以通過催化過程將無用的分子轉化為有用的氣體或資源，實現原位資源的利用。

此外，像碳管，尤其是單壁碳管，還具有超高強度、高導電性的特點，甚至強度超過了鋼鐵。

“清華大學的魏飛教授制造出了最長的碳納米管，說不定以后真的可以像科幻片一樣，制造出從月球到地球的通天梯，但想要實現可能還需要長期的努力。”張偉說。

月壤研究的團隊

正如研究嫦娥五號月壤樣品一樣，這項研究也是由張偉、李秀娟研究員和鄒猛教授共同完成的。

“我們三個人互相協調、互相支持，可以說是完美的團隊。”

“鄒老師是月壤使用責任人，也是他領銜申請到的樣品，在深空探測領域有影響力。李老師是月壤的保管人和協調人，月壤保管是非常復雜的，李老師對測試流程規劃把握得非常精準，我自認為我做不到，我特別佩服她。”張偉笑著講述道。

而張偉在電子材料、能源催化、納米材料、結構材料等領域有30年的研究經驗，十分擅長用前沿的顯微與分析技術對月壤等復雜材料的組分展開一線精細的表征研究，能把極端環境的形成演化機制闡述清楚。

在張偉看來，吉林大學電子顯微鏡中心是國內高端測試的一個縮影，我們國家很多測試中心的水平都非常強，從硬件尺度上來講，已經超過國外了。

目前針對這兩批月壤樣品，基于先進顯微表征分析，團隊已經發表了七篇研究論文，一方面揭示月球上未曾報道過的新物質形式，另一方面發現一些新現象。

比如近期他們基于學科交叉的理念，成功將材料科學中的經典理論“穿晶斷裂”應用于解釋月球礦物的損傷機制，而這些基礎性的發現有助于打破學科壁壘，深化我們對月球的理解。

“最后，請允許我先賣個關子，目前我們團隊還有一項新發現，但還在保密階段，大家可以期待一下。”張偉如是說。

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