中核首席科學(xué)家揭秘：鈾釷研究的意外收獲，月球新礦物鎂嫦娥石如何被發(fā)現(xiàn)

據(jù)新華社，我國科學(xué)家在嫦娥五號月球樣品中，發(fā)現(xiàn)兩種月球新礦物，均獲國際礦物學(xué)協(xié)會新礦物命名及分類委員會批準(zhǔn)，分別命名為鎂嫦娥石與鈰嫦娥石。這是繼2022年嫦娥石之后，我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的第二和第三種月球新礦物，也是全世界在返回月壤中發(fā)現(xiàn)的第七和第八種月球新礦物。

國家航天局4月24日對外發(fā)布了上述最新研究成果。其中，鎂嫦娥石由中核集團(tuán)核工業(yè)北京地質(zhì)研究院李子穎首席科學(xué)家牽頭的月壤團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，主要產(chǎn)出于嫦娥五號鉆取月球樣品中的玄武巖碎屑內(nèi)部。鈰嫦娥石由中國地質(zhì)科學(xué)院侯增謙院士團(tuán)隊(duì)牽頭發(fā)現(xiàn)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)于嫦娥五號月球樣品以及一塊墜落于我國境內(nèi)的月球隕石中。鎂嫦娥石、鈰嫦娥石均屬于稀土磷酸鹽礦物，隱匿于月壤微塵之中，粒徑僅數(shù)微米，晶體結(jié)構(gòu)精妙獨(dú)特，在地球上沒有完全相同的對應(yīng)礦物。

納米機(jī)械手提取鎂嫦娥石單晶顆粒

為何要研究月球礦物？鎂嫦娥石有何獨(dú)特之處？“我們一開始研究月壤，是準(zhǔn)備重點(diǎn)研究放射性元素鈾、釷的特征。發(fā)現(xiàn)新礦物并不是我們一開始設(shè)定的目標(biāo)，而是研究過程中的意外收獲。”李子穎24日在知乎平臺撰文稱，早在2022年發(fā)現(xiàn)嫦娥石之后，該團(tuán)隊(duì)?wèi){借理論機(jī)理和研究經(jīng)驗(yàn)判定嫦娥石不會是月壤里唯一的新礦物。因?yàn)橄⊥猎赜?5種，元素之間類質(zhì)同象，在不同的條件下可相互替代，會催生一系列結(jié)構(gòu)相似、成分不同的礦物。于是在2022年成功發(fā)現(xiàn)我國首個(gè)月球新礦物“嫦娥石”之后，該研究團(tuán)隊(duì)自2023年開始從月壤樣品中探索發(fā)現(xiàn)新礦物的研究。

據(jù)其介紹，鎂嫦娥的獨(dú)特之處在于：個(gè)頭極小，呈短柱狀晶體，粒徑僅2到30微米，約為頭發(fā)絲直徑的三十分之一到三分之一，肉眼不可見；結(jié)構(gòu)獨(dú)特，晶體結(jié)構(gòu)M位以鎂為主，不像嫦娥石以鐵為主；嫦娥石的空間群是R3c，但鎂嫦娥石的空間群是R3m，是該礦物族中第一個(gè)擁有此空間群的新礦物。另外，它的晶胞c軸長度只有嫦娥石的一半，打破了對該族礦物的傳統(tǒng)認(rèn)知；稀土含量更高，能達(dá)到10%左右，比嫦娥石高出約3個(gè)百分點(diǎn)。從形成條件推測，它結(jié)晶的溫度可能更高一些，所以應(yīng)該先于嫦娥石形成。

“在對海量礦物成分逐一甄別的時(shí)候，我們注意到一個(gè)異常：有幾顆顆粒跟嫦娥石長得幾乎一模一樣，但鎂含量明顯偏高，鐵含量卻低于嫦娥石。掃描電鏡下，它們長得太像了，如不注意，很容易當(dāng)成嫦娥石一帶而過。但我們熟悉嫦娥石了，哪怕很小的成分異常，對我們來說也是敏感的。”但要確認(rèn)是不是新礦物，光有成分還不夠，必須拿到晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。一毫克月壤中藏著上萬個(gè)顆粒，要找到成分純凈、結(jié)晶完好的單晶殊為不易。

李子穎稱，好不容易篩選出單晶后，科研團(tuán)隊(duì)用聚焦離子束掃描電鏡，像外科醫(yī)生做微創(chuàng)手術(shù)一樣，把目標(biāo)晶體從礦物集合體中精準(zhǔn)切割下來。離子束的切割精度要達(dá)到微米級甚至是亞微米級。力度稍大，這顆微小的晶體就可能直接被“切飛”。單晶切出來之后，再轉(zhuǎn)移到單晶衍射儀上測試。

“我們?nèi)匀挥浀玫谝活w顆粒的失敗經(jīng)歷，那是花了半個(gè)月才篩選出的最大顆粒，小心翼翼切割完成后送去單晶衍射，結(jié)果卻讓人非常失望。它是一顆非晶質(zhì)顆粒，根本采集不到晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。到了切第二顆顆粒的時(shí)候，研究團(tuán)隊(duì)的三位同志在一起，互相減壓，因?yàn)槟鞘悄苷业降淖詈笠活w合適的顆粒了，要是再失敗，整個(gè)項(xiàng)目就黃了。”李子穎在文中回憶稱，當(dāng)時(shí)操作人員戴著兩層口罩，生怕一口氣喘大了，把這顆“月球珍寶”吹得無影無蹤。

該團(tuán)隊(duì)后又經(jīng)歷測試數(shù)據(jù)不理想、結(jié)構(gòu)解析卡殼、國際礦物學(xué)協(xié)會評審過程等挑戰(zhàn)。最終憑借充分證據(jù)材料，鎂嫦娥石被確證為一種新礦物。

李子穎表示，作為隕磷鈉鈣石族的新成員，鎂嫦娥石獨(dú)特的成分與結(jié)構(gòu)，為研究月球形成演化、巖漿活動、化學(xué)分異提供了全新的礦物學(xué)樣本。在科學(xué)界，流傳著一句話“月球是地球的過去”。研究它能幫助我們追溯天體演化的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)過去，預(yù)測未來。

“國際上自美國上世紀(jì)60年代以來，至今發(fā)現(xiàn)了5個(gè)月球新礦物，而我們國家用不到6年的時(shí)間就發(fā)現(xiàn)了3個(gè)，這和我們創(chuàng)新能力和水平密不可分，也進(jìn)一步鞏固了我國在月球科學(xué)研究領(lǐng)域的國際地位。”他表示，這些成果的背后是國家綜合實(shí)力和科技創(chuàng)新能力的體現(xiàn)。“嫦娥石是我們發(fā)現(xiàn)并命名的，按照國際礦物學(xué)命名規(guī)則，今后任何國家任何人再發(fā)現(xiàn)同系列礦物，都必須以‘嫦娥石’為詞根來命名。”