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“嫦娥石”发现记——核技术助力我国首次发现月球新矿物
来源:军工天地 | 作者:国防科技工业 | 发布时间: 2022-10-24 | 2905 次浏览 | 分享到:
2022年9月9日,在中秋节来临前,国家航天局、国家原子能机构联合在京发布嫦娥五号最新科学成果……


中秋佳节,“嫦娥”献礼。2022年9月9日,在中秋节来临前,国家航天局、国家原子能机构联合在京发布嫦娥五号最新科学成果。国家原子能机构副主任董保同宣布,我国首次发现的月球新矿物,经国际矿物学会新矿物分类及命名委员会批准,正式命名为“嫦娥石”。这是我国在空间科学领域取得的一项重大科学成果,也是核与航天跨行业、跨专业合作的一次成功探索,我国成为世界上第三个发现月球新矿物的国家。

从此,月亮上不仅有“嫦娥”和“玉兔”,还有了“嫦娥石”。“嫦娥石”是继“广寒宫”“织女”“紫微”等源于中华传统文化的月球地理实体命名之后,我国月球探索中又一独具中国文化特色的名称,再次展示了中华传统文化与硬科技完美融合的“中国式浪漫”。

悉心守护  “核”力拓疆核技术助力月球样品研究

月球作为地球唯一的天然卫星,是距离地球最近的“邻居”,蕴藏了地球、太阳系起源和演化的无穷奥秘。2020年12月17日,嫦娥五号返回器携带1731克月球样品成功着陆四子王旗,实现了我国首次地外天体采样返回,我国成为世界上第三个从月球取回样品的国家,这也是人类时隔44年再次将月球样品带回地球。

珍贵的月球样品来之不易,为充分发挥月球样品的作用,取得更多更好的重磅科研成果,深化对月球和太阳系的认知,国家航天局出台了《月球样品管理办法》,鼓励国内外优秀科学家开展月球科学研究。同时,制定了严格的月球样品借用申请流程,每个样品借用申请都要先后经过院士专家函评和月球样品专家委员会评审等阶段。

月球样品的稀有及其蕴含的地月演化等若干关键科学问题,激发了国内广大科研工作者的热情,月球样品的申请竞争也异常激烈。在国家原子能机构支持下,中核集团核工业北京地质研究院(简称“核地研院”)精细谋划,积极申请和激烈竞争,经月球样品专家委员会评审投票,核地研院成功获批了50毫克月球样品,成为首批开展嫦娥五号月球样品研究的13家科研单位之一。

核地研院成立于1959年,是以铀矿地质为主的多科学综合性研究机构,为我国原子能事业发展作出了重要贡献。我国第一块铀矿石—曾被呈送中南海,受到毛主席和周总理等老一辈革命家研观的“开业之石”,如今完好地保存在这里,是该院“镇院之宝”。

除了为祖国找铀矿,上世纪80年代起,核地研院还有一批科研人员,在找寻一块“疯狂的石头”。30多年间,一代又一代研究人员前赴后继,踏遍祖国山川,终于在西北荒漠戈壁腹地找到了合适的选址,建起了中国北山地下实验室。

嫦娥五号返回后,取回的月球样品令核地研院科研人员兴奋不已,纷纷表示“中国科学家终于有自己的月球样品开展地月演化研究了!”

为此,中核集团组建了以我国铀矿地质领域领军人才李子颖研究员为首的研究团队,成立月球样品分析检测实验室,聚焦嫦娥五号月球样品裂变聚变核能元素研究,开展自主月球核能资源基础地质科学问题攻关。

2021年7月,核地研院月球样品研究团队以“核能聚变元素研究”为主题,申请到第一批月球样品;4个月后,又以“核能铀钍裂变元素研究”为主题,成功获得了第二批月球样品——1件15毫克的月球样品光片。

在开展第一批月球样品基础矿物学研究时,科研团队发现一种化学成分与已知矿物具有明显区别的矿物,敏锐的捕获到了新矿物的踪迹。

由于新矿物颗粒太小,科研团队又将目光投向了第二个月球样品,通过X射线衍射等一系列高新技术手段对月球样品进行分析研究,最终在十四万个月球样品颗粒中再次找到了该新矿物的踪迹,最终成功获得确认新矿物所需的结构数据,并被认可为新矿物。月球新矿物的发现,丰富了人类已知的月球矿物种类,拓宽了人类的认知边界。

在针尖上跳舞从蛛丝马迹中发现新矿物

在月球样品获批之前,研究团队反复讨论,拿出了完善的研究方案、清晰的研究思路、详细的研究内容,在成功借用到月球样品之后,很快便按设计方案进入了研究流程。“在开展基础矿物学研究时,一类含钙磷酸盐矿物的微小颗粒引起了科研团队的注意。”核地研院第一批月球样品责任人黄志新介绍说,这是一种含量极少、粒度极小(约十微米,相当于头发丝直径的十分之一)的一类含钙磷酸盐矿物,它的能谱谱图不同于其他已知同元素种类的矿物,团队初步判断这极有可能是一种新的矿物。

科研团队对这个新发现也都非常兴奋,紧锣密鼓开展了后续的针对性研究工作。

月球样品的成分确定很快就完成了,其元素比值不同于目前发表的任何其他已知月球矿物,这表明团队向着新矿物的发现又进了一步。接下来,按照新矿物发现的惯例,除确定准确的化学成分之外,还必须开展矿物单晶的晶体结构精确解译。但是由于颗粒太小,最大的一颗是一个10微米左右的颗粒,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,因此一直没有获得理想的结构数据。

“不能就这么放弃,第一批样品颗粒太小,那我们就继续在第二批样品中寻找”,核地研院月球样品研究团队负责人李子颖说。终于,在统计了第二个样品靶上14万多个颗粒后,找到了一些踪迹,但有希望测到单晶结构的只有一颗,而这一颗还裂成了三小块。晶体结构测量,需要把它切下来。

核地研院第二批月球样品使用责任人钟军表示,“这是一项极具挑战的工作,意味着我们需要在约5厘米的光片靶上,精确定位微米级(十分之一头发丝直径大小)的潜在新矿物单晶,并将其分离出来。”具体来说,要使用高能的聚焦离子束,将这个微米尺度的潜在新矿物单晶切割下来并焊接在钨针上,以便放置到后续仪器上精细解译其结构。为保证切割下来的目标矿物成分均匀、不含其他杂质矿物包体,要边物理切割边测量成分、再修掉多余的杂质部分直到切割的矿物成分完全均匀为止。月球样品矿物学研究主要负责人李婷研究员形象地说,“这基本上就是一项在针尖上跳舞的任务!”

在科研人员的不懈努力下,最终成功分离出了一颗粒径为10*7*4微米的单晶颗粒,随后团队利用X射线矿物衍射分析仪开展了精细结构解译,准确确定这个矿物的晶体结构,最终确定了这是一种新的月球矿物。

新的月球矿物是一种磷酸盐矿物,呈柱状晶体,发现于月球玄武岩颗粒中。虽然玄武岩在地球上很常见,但之前从未在月球发现过,具有重要研究价值。

融合共进 创新突破携手推进月球样品研究

为致敬中国探月工程,致敬中国科技工作者,弘扬中华民族传统月亮文化,集中展示月球研究的新发现新成果,这一新的月球矿物被命名为“嫦娥石”。“嫦娥石”的发现作为我国天体矿物学研究的重大突破性成果,为月球起源和演化研究提供了重要线索,为研究深空样品积累了宝贵经验。

发布活动现场,探月工程副总指挥、国家航天局探月与航天工程中心主任刘继忠介绍了嫦娥五号其他最新科学成果情况。据悉,各领域科研团队积极开展研究工作,成果显著,目前已在国内外著名学术期刊上发表文章23篇,申请专利1项。近期发布的成果主要包括岩浆分异、太空风化、氦-3气体以及生物能转化等方面,对认识月球起源与演化,探寻月球资源有效利用及实现“零能耗”的地外环境和生命支持系统具有重要启示意义。

截至目前,国家航天局已经完成了四批152份共计53625.7mg的月球样品发放。有33家科研单位的98位申请人通过申请。第五批样品申请已完成评审,后续按程序发放。发放样品的单位涵盖中科院、教育部、自然资源部、核工业集团等多个部门单位,国外科学家和留学生也参加了联合研究。

此次核科学技术的应用在月球样品研究中起到了重要推动作用。除“嫦娥石”外,核地研院研究团队还首次准确测定了嫦娥五号月壤样品中氦-3含量和最佳提取温度。这为今后月球样品中氦-3量的评估提供了重要数据支撑。

以探月工程为代表的重大航天工程带动了我国基础科学、空间科学和应用科学等若干领域的深入发展,促进了众多技术学科的交叉融合,获得一系列原创性成果,深化了人类对月球和太阳系的认知。

星空浩瀚无比,探索永无止境。董保同强调,国家航天局与国家原子能机构作为我国航天、核领域政府主管部门,将继续致力于促进航天技术与核技术的融合共进、创新突破,为和平利用太空、和平利用核能、增进人类福祉,作出新的贡献。



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