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“嫦娥石”理想晶體圖。
視頻了解“嫦娥石”
發(fā)現(xiàn)破譯全過程
9月9日，國家航天局、國家原子能機構(gòu)聯(lián)合宣布，中國科學(xué)家首次在月球上發(fā)現(xiàn)新礦物，并將其命名為“嫦娥石”。該礦物是人類在月球上發(fā)現(xiàn)的第六種新礦物，此次發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著我國成為世界上第三個在月球發(fā)現(xiàn)新礦物的國家，這也是嫦娥五號月球樣品研究取得的又一重大科學(xué)成果。
此次發(fā)現(xiàn)過程中，研究團隊通過X射線單晶衍射等一系列高新技術(shù)手段，在14萬個月球樣品顆粒中，分離出一顆粒徑約10微米大小的單晶顆粒，并成功解譯其晶體結(jié)構(gòu)。經(jīng)國際礦物學(xué)協(xié)會(IMA)新礦物命名及分類委員會(CNMNC)投票通過，確證為一種新礦物。
嫦娥石發(fā)現(xiàn)的背后藏著哪些故事？嫦娥石的發(fā)現(xiàn)具有哪些意義？記者聯(lián)系到有關(guān)單位和科研人員，解碼此次發(fā)現(xiàn)過程中“千鈞一發(fā)”的科研經(jīng)歷。
針尖上“追逐”上萬次
新礦物顯露端倪
2021年6月，嫦娥五號月壤樣品向全社會開放申請。中核集團核工業(yè)北京地質(zhì)研究院（下稱“核地研院”）以“裂變聚變核能元素研究”為主題進行申請，獲批成為首批開展嫦娥五號月壤科研樣品研究的單位之一。7月12日，50毫克月壤科研樣品被交到了核地研院研究人員手中。
盡管此次核地研院申領(lǐng)了50毫克月壤樣品，但按相關(guān)要求，研究過程對月壤的消耗量不能超過20毫克。“這意味著，我們能用于研究的月壤大約只有5顆芝麻粒兒那么多。”核地研院第一批月球樣品負責(zé)人黃志新研究員說。
2021年9月9日，研究團隊終于在超凈室內(nèi)開封月壤。對月壤進行礦物學(xué)研究，首先需要挑樣分選月壤樣品，將月壤按粒度和礦物種類分為7組。對地球樣品進行挑樣，可以利用儀器，或在取樣針上涂抹凡士林等黏性物質(zhì)輔助挑樣。但對月壤不能使用儀器——儀器篩網(wǎng)上會粘住月壤，造成浪費；也不能借助任何外力，避免引入雜質(zhì)。
這意味著，月壤研究全部需要人工挑樣。挑樣時也只能靠不到1微米粗細的針尖摩擦提取月壤顆粒，或利用顆粒的凹槽去“捉”住目標(biāo)顆粒。捉的時候，顆粒常常在玻片上到處“跑”，對挑樣者的專注力、耐力都提出了極高要求。
“挑樣充滿了痛苦的機械性重復(fù)和高度緊張?！焙说匮性涸虑蜓芯繄F隊研究骨干李婷說，需要長時間對著顯微鏡，使用針頭小于0.5微米的納米取樣針，將月壤按分組規(guī)則一顆一顆轉(zhuǎn)移到定制的銅坩堝中。由于挑樣所使用的顯微鏡最小分辨率為4微米，她手部的移動距離可能不到幾毫米，身體在作業(yè)時基本上處于僵硬狀態(tài)。由于申請到的月壤顆粒按密度保守計算，每1毫克樣品中不少于1萬個顆粒，因此轉(zhuǎn)移過程需重復(fù)上萬次。
2021年10月，對月壤的成分研究有了令人驚喜的發(fā)現(xiàn)?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)了一個很小的微粒，成分組成和人類已知的礦物都不太一樣?！崩铈谜f，經(jīng)過查閱資料對比分析，研究團隊認為這組微粒中或許存在一種全新的礦物。
轉(zhuǎn)移“獨苗”樣本
仿佛一場顯微外科手術(shù)
一種礦物如要被確定為新礦物，不僅要明確其中的成分組成，還需要提供其晶體結(jié)構(gòu)信息。但是，研究團隊對礦物結(jié)構(gòu)的分析并不順利。
要想分析礦物結(jié)構(gòu)，必須將目標(biāo)顆粒與周圍的顆粒剝離，使其成為一個純凈的單晶。但研究團隊盡了最大的努力，都無法完全剔除與其共生的已知礦物輝石。直到第二批申請成功的月壤樣品抵達核地研院。
2021年7月29日，國家航天局正式公布第二批月球科研樣品計劃，核地研院團隊成員、博士鐘軍積極申請，獲得一件光片樣品。這件樣品僅約15毫克，相當(dāng)于3—4顆芝麻粒，卻包含著約14萬個顆粒。第二批樣品原本用于裂變元素研究，但因不愿輕易放棄已發(fā)現(xiàn)的新礦物線索，團隊申請先使用這批樣品重啟新礦物研究?！爸灰苷业揭粋€符合要求的顆粒，新礦物研究就有可能繼續(xù)推進?！崩铈谜f。
申請很快得到了批準(zhǔn)。最終，研究團隊發(fā)現(xiàn)只有一個符合要求的顆粒，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，進行晶體結(jié)構(gòu)的精確解譯。
1月8日，研究團隊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10 4 7微米、不到普通人頭發(fā)平均直徑1/10大小的單晶顆粒。
顆粒成功分離，挑戰(zhàn)接踵而至。結(jié)構(gòu)解析實驗包含樣本轉(zhuǎn)移環(huán)節(jié)，需要人工在顯微鏡下利用約頭發(fā)五分之一粗細的玻璃絲粘住一個不到10微米的顆粒，將其從一個儀器的樣品座上轉(zhuǎn)移到另一個儀器的樣品座上。
李婷用“顯微外科手術(shù)”來形容這一過程：“我們利用一種特殊的膠去粘顆粒，這種膠幾十秒就干了。所以既不能粘慢了，膠干了就粘不上；也不能粘歪了，需要粘到玻璃針的頂端，否則會影響后面的實驗數(shù)據(jù)；也不能力氣太大，避免把顆粒碰飛了、把玻璃絲弄斷了。玻璃絲也是我們手拉的，可能拉幾十根能挑出來一根適合粘這個顆粒的。”
樣品轉(zhuǎn)移過程只有幾十秒，但李婷卻花了一周時間進行準(zhǔn)備：提前演練手的位置，確定顆粒擺放的位置，制定樣品丟失應(yīng)急處理預(yù)案……時間來到1月中旬，當(dāng)目標(biāo)顆粒穩(wěn)穩(wěn)地落在樣品座上時，李婷心里的石頭終于落了地。
研究“嫦娥石”形成條件
有助于倒推月球演化史
今年除夕，研究團隊利用X射線單晶衍射儀收集到了晶體衍射數(shù)據(jù)。春節(jié)期間，科研團隊馬不停蹄地解譯出了疑似新礦物顆粒的晶體結(jié)構(gòu)，并撰寫初步研究報告。
3月初，新礦物研究報告正式提交給國際礦物學(xué)協(xié)會新礦物命名及分類委員會。這是一種從未被發(fā)現(xiàn)過的富稀土元素磷酸鹽新礦物，來自距離地球38萬公里之遙的月球。其晶體結(jié)構(gòu)屬三方晶系，空間群R3c，呈微小柱狀。為致敬我國航天嫦娥工程探月事業(yè)的成功，弘揚中華民族傳統(tǒng)月球文化，將我國的傳統(tǒng)文化和新時代中國科技發(fā)展成績推向全世界，核地研院研究團隊將月球新礦物命名為“嫦娥石”，英文名暫定為Changeite-（Y）。
6月初，新礦物獲得全票通過，但名稱沒有通過。因為嫦娥石的英文名Changeite-（Y）和一種已知礦物的英文名Changoite太相似。很多人勸團隊改一個名字，但團隊不想放棄。
在中核集團核地研院重大項目總師、核地研院月球樣品研究團隊負責(zé)人李子穎看來，“嫦娥石”寄托著中國航天探測精神和美麗傳說，這個名字不能輕易舍棄。
經(jīng)過反復(fù)思考和征求意見后，他找到了一個既有中國特色也符合國際慣例的英文名字——Changesite。8月3日，該新礦物最終獲得國際礦物學(xué)協(xié)會新礦物命名及分類委員會通過批準(zhǔn)。中文名“嫦娥石”，英文名Changesite-(Y)。
李子穎介紹，嫦娥石的發(fā)現(xiàn)具有多方面科學(xué)價值：第一，嫦娥石的發(fā)現(xiàn)是中國科學(xué)家首次在月球發(fā)現(xiàn)新礦物，體現(xiàn)了中國的現(xiàn)代科技和工程水平，是中國科學(xué)家為月球探測研究作出的新貢獻；第二，由于月壤樣品具有稀少、細小的特點，研究本身具有難度，嫦娥石的成功發(fā)現(xiàn)也帶動了研究手段和技術(shù)的進步，為今后同類樣品研究積累了寶貴經(jīng)驗；第三，嫦娥石作為一種新礦物，成為礦物家族新的一員，它的發(fā)現(xiàn)推動了礦物科學(xué)的發(fā)展；第四，此次嫦娥五號取樣地點離美國和前蘇聯(lián)月壤取樣點較遠，且月壤年齡較年輕，只有20億年左右，增加了新地點的科學(xué)數(shù)據(jù)，由于至今未在地球上發(fā)現(xiàn)過嫦娥石，可通過嫦娥石形成條件倒推月球演化的特殊歷史；第五，通過進一步研究嫦娥石的物理化學(xué)性質(zhì)，可以為未來月球資源的開發(fā)提供新的科學(xué)依據(jù)。
南方日報記者 徐勉 實習(xí)生 曾譯萱
統(tǒng)籌：呂虹
