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中秋佳節,“嫦娥”獻禮。2022年9月9日,在中秋節來臨前,國家航天局、國家原子能機構聯合在京發布嫦娥五號最新科學成果。國家原子能機構副主任董保同宣布,我國首次發現的月球新礦物,經國際礦物學會新礦物分類及命名委員會批準,正式命名為“嫦娥石”。這是我國在空間科學領域取得的一項重大科學成果,也是核與航天跨行業、跨專業合作的一次成功探索,我國成為世界上第三個發現月球新礦物的國家。
從此,月亮上不僅有“嫦娥”和“玉兔”,還有了“嫦娥石”。“嫦娥石”是繼“廣寒宮”“織女”“紫微”等源于中華傳統文化的月球地理實體命名之后,我國月球探索中又一獨具中國文化特色的名稱,再次展示了中華傳統文化與硬科技完美融合的“中國式浪漫”。
悉心守護 “核”力拓疆核技術助力月球樣品研究
月球作為地球唯一的天然衛星,是距離地球最近的“鄰居”,蘊藏了地球、太陽系起源和演化的無窮奧秘。2020年12月17日,嫦娥五號返回器攜帶1731克月球樣品成功著陸四子王旗,實現了我國首次地外天體采樣返回,我國成為世界上第三個從月球取回樣品的國家,這也是人類時隔44年再次將月球樣品帶回地球。
珍貴的月球樣品來之不易,為充分發揮月球樣品的作用,取得更多更好的重磅科研成果,深化對月球和太陽系的認知,國家航天局出臺了《月球樣品管理辦法》,鼓勵國內外優秀科學家開展月球科學研究。同時,制定了嚴格的月球樣品借用申請流程,每個樣品借用申請都要先后經過院士專家函評和月球樣品專家委員會評審等階段。
月球樣品的稀有及其蘊含的地月演化等若干關鍵科學問題,激發了國內廣大科研工作者的熱情,月球樣品的申請競爭也異常激烈。在國家原子能機構支持下,中核集團核工業北京地質研究院(簡稱“核地研院”)精細謀劃,積極申請和激烈競爭,經月球樣品專家委員會評審投票,核地研院成功獲批了50毫克月球樣品,成為首批開展嫦娥五號月球樣品研究的13家科研單位之一。
核地研院成立于1959年,是以鈾礦地質為主的多科學綜合性研究機構,為我國原子能事業發展作出了重要貢獻。我國第一塊鈾礦石—曾被呈送中南海,受到毛主席和周總理等老一輩革命家研觀的“開業之石”,如今完好地保存在這里,是該院“鎮院之寶”。
除了為祖國找鈾礦,上世紀80年代起,核地研院還有一批科研人員,在找尋一塊“瘋狂的石頭”。30多年間,一代又一代研究人員前赴后繼,踏遍祖國山川,終于在西北荒漠戈壁腹地找到了合適的選址,建起了中國北山地下實驗室。
嫦娥五號返回后,取回的月球樣品令核地研院科研人員興奮不已,紛紛表示“中國科學家終于有自己的月球樣品開展地月演化研究了!”
為此,中核集團組建了以我國鈾礦地質領域領軍人才李子穎研究員為首的研究團隊,成立月球樣品分析檢測實驗室,聚焦嫦娥五號月球樣品裂變聚變核能元素研究,開展自主月球核能資源基礎地質科學問題攻關。
2021年7月,核地研院月球樣品研究團隊以“核能聚變元素研究”為主題,申請到第一批月球樣品;4個月后,又以“核能鈾釷裂變元素研究”為主題,成功獲得了第二批月球樣品——1件15毫克的月球樣品光片。
在開展第一批月球樣品基礎礦物學研究時,科研團隊發現一種化學成分與已知礦物具有明顯區別的礦物,敏銳的捕獲到了新礦物的蹤跡。
由于新礦物顆粒太小,科研團隊又將目光投向了第二個月球樣品,通過X射線衍射等一系列高新技術手段對月球樣品進行分析研究,最終在十四萬個月球樣品顆粒中再次找到了該新礦物的蹤跡,最終成功獲得確認新礦物所需的結構數據,并被認可為新礦物。月球新礦物的發現,豐富了人類已知的月球礦物種類,拓寬了人類的認知邊界。
在針尖上跳舞從蛛絲馬跡中發現新礦物
在月球樣品獲批之前,研究團隊反復討論,拿出了完善的研究方案、清晰的研究思路、詳細的研究內容,在成功借用到月球樣品之后,很快便按設計方案進入了研究流程。“在開展基礎礦物學研究時,一類含鈣磷酸鹽礦物的微小顆粒引起了科研團隊的注意。”核地研院第一批月球樣品責任人黃志新介紹說,這是一種含量極少、粒度極小(約十微米,相當于頭發絲直徑的十分之一)的一類含鈣磷酸鹽礦物,它的能譜譜圖不同于其他已知同元素種類的礦物,團隊初步判斷這極有可能是一種新的礦物。
科研團隊對這個新發現也都非常興奮,緊鑼密鼓開展了后續的針對性研究工作。
月球樣品的成分確定很快就完成了,其元素比值不同于目前發表的任何其他已知月球礦物,這表明團隊向著新礦物的發現又進了一步。接下來,按照新礦物發現的慣例,除確定準確的化學成分之外,還必須開展礦物單晶的晶體結構精確解譯。但是由于顆粒太小,最大的一顆是一個10微米左右的顆粒,和輝石交互共生在一起,無論實驗手段還是后期的數據處理都沒有辦法把輝石剔除干凈,因此一直沒有獲得理想的結構數據。
“不能就這么放棄,第一批樣品顆粒太小,那我們就繼續在第二批樣品中尋找”,核地研院月球樣品研究團隊負責人李子穎說。終于,在統計了第二個樣品靶上14萬多個顆粒后,找到了一些蹤跡,但有希望測到單晶結構的只有一顆,而這一顆還裂成了三小塊。晶體結構測量,需要把它切下來。