寻石记

陈海波

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，一種全新的矿物。

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”）的科研人员。60多年前，这里的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寻找铀矿石。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颗大点儿的米粒。”他说，用好每一个颗粒、确保极低的样品损耗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1～150微米之间，“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的组成以及减少样品损耗，这个步骤需要在显微镜下操作完成。科研人员使用针头直径小于0.5微米的纳米取样针，将月壤颗粒逐一转移到对应的铜坩埚中，这个动作至少得重复上万次。

“通常我们在挑选地球样品时，可以将凡士林等有一定黏性的物质涂抹在针上帮助粘取样品，然后再将其稳妥转移到其他地方。而月壤的挑选不允许引入外来物质，只能靠针尖和颗粒之间因摩擦产生的一点儿静电吸附住样品。”李婷回忆着当初的工作情形，形容那时的自己为“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，稳住即将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。在这一过程中，她对月壤有了更深入的了解。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通常拥有的数量。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和晶体结构，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，是一颗直径不足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，那就可以证实其是一种全新的矿物。然而，他们失败了。

由于月壤颗粒太小，且和辉石共生，无论是采取实验手段还是通过后期的数据处理都没有办法把辉石剔除干净，因此，研究人员一直没能获得理想的晶体结构数据。但是研究人员并没有放弃，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。“头发的直径是70～100微米，这个颗粒最长的边是10微米，短边大概只有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，而且只有一次机会。”李婷说。

只有一次机会，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微米的单晶颗粒。整个过程用了8小时，但他们的兴奋持续了很久。“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

嫦娥石是什么样？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学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6个月球新矿物，这使我国成为世界上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了17种新矿物，储备了扎实的矿物学知识和先进的研究技术。新矿物的发现，将推动矿物学科的发展，也为研究月球的形成和演化，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，此次研究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，开始向“深空”探索。

本文转自《光明日报》