破译嫦娥石

　　嫦娥石和共生矿物扫描电镜照片。
　　本栏图片由受访者提供
　　嫦娥石理想晶体图。
　　视频了解嫦娥石
　　发现破译全过程
　　9月9日，国家航天局、国家原子能机构联合宣布，中国科学家首次在月球上发现新矿物，并将其命名为嫦娥石。该矿物是人类在月球上发现的第六种新矿物，此次发现，标志着我国成为世界上第三个在月球发现新矿物的国家，这也是嫦娥五号月球样品研究取得的又一重大科学成果。
　　此次发现过程中，研究团队通过X射线单晶衍射等一系列高新技术手段，在14万个月球样品颗粒中，分离出一颗粒径约10微米大小的单晶颗粒，并成功解译其晶体结构。经国际矿物学协会（IMA）新矿物命名及分类委员会（CNMNC）投票通过，确证为一种新矿物。
　　嫦娥石发现的背后藏着哪些故事？嫦娥石的发现具有哪些意义？记者联系到有关单位和科研人员，解码此次发现过程中千钧一发的科研经历。
　　针尖上追逐上万次
　　新矿物显露端倪
　　2021年6月，嫦娥五号月壤样品向全社会开放申请。中核集团核工业北京地质研究院（下称核地研院）以裂变聚变核能元素研究为主题进行申请，获批成为首批开展嫦娥五号月壤科研样品研究的单位之一。7月12日，50毫克月壤科研样品被交到了核地研院研究人员手中。
　　尽管此次核地研院申领了50毫克月壤样品，但按相关要求，研究过程对月壤的消耗量不能超过20毫克。这意味着，我们能用于研究的月壤大约只有5颗芝麻粒儿那么多。核地研院第一批月球样品负责人黄志新研究员说。
　　2021年9月9日，研究团队终于在超净室内开封月壤。对月壤进行矿物学研究，首先需要挑样分选月壤样品，将月壤按粒度和矿物种类分为7组。对地球样品进行挑样，可以利用仪器，或在取样针上涂抹凡士林等黏性物质辅助挑样。但对月壤不能使用仪器仪器筛网上会粘住月壤，造成浪费；也不能借助任何外力，避免引入杂质。
　　这意味着，月壤研究全部需要人工挑样。挑样时也只能靠不到1微米粗细的针尖摩擦提取月壤颗粒，或利用颗粒的凹槽去捉住目标颗粒。捉的时候，颗粒常常在玻片上到处跑，对挑样者的专注力、耐力都提出了极高要求。
　　挑样充满了痛苦的机械性重复和高度紧张。核地研院月球研究团队研究骨干李婷说，需要长时间对着显微镜，使用针头小于0。5微米的纳米取样针，将月壤按分组规则一颗一颗转移到定制的铜坩埚中。由于挑样所使用的显微镜最小分辨率为4微米，她手部的移动距离可能不到几毫米，身体在作业时基本上处于僵硬状态。由于申请到的月壤颗粒按密度保守计算，每1毫克样品中不少于1万个颗粒，因此转移过程需重复上万次。
　　2021年10月，对月壤的成分研究有了令人惊喜的发现。我们发现了一个很小的微粒，成分组成和人类已知的矿物都不太一样。李婷说，经过查阅资料对比分析，研究团队认为这组微粒中或许存在一种全新的矿物。
　　转移独苗样本
　　仿佛一场显微外科手术
　　一种矿物如要被确定为新矿物，不仅要明确其中的成分组成，还需要提供其晶体结构信息。但是，研究团队对矿物结构的分析并不顺利。
　　要想分析矿物结构，必须将目标颗粒与周围的颗粒剥离，使其成为一个纯净的单晶。但研究团队尽了最大的努力，都无法完全剔除与其共生的已知矿物辉石。直到第二批申请成功的月壤样品抵达核地研院。
　　2021年7月29日，国家航天局正式公布第二批月球科研样品计划，核地研院团队成员、博士钟军积极申请，获得一件光片样品。这件样品仅约15毫克，相当于34颗芝麻粒，却包含着约14万个颗粒。第二批样品原本用于裂变元素研究，但因不愿轻易放弃已发现的新矿物线索，团队申请先使用这批样品重启新矿物研究。只要能找到一个符合要求的颗粒，新矿物研究就有可能继续推进。李婷说。
　　申请很快得到了批准。最终，研究团队发现只有一个符合要求的颗粒，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。
　　1月8日，研究团队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1047微米、不到普通人头发平均直径110大小的单晶颗粒。
　　颗粒成功分离，挑战接踵而至。结构解析实验包含样本转移环节，需要人工在显微镜下利用约头发五分之一粗细的玻璃丝粘住一个不到10微米的颗粒，将其从一个仪器的样品座上转移到另一个仪器的样品座上。
　　李婷用显微外科手术来形容这一过程：我们利用一种特殊的胶去粘颗粒，这种胶几十秒就干了。所以既不能粘慢了，胶干了就粘不上；也不能粘歪了，需要粘到玻璃针的顶端，否则会影响后面的实验数据；也不能力气太大，避免把颗粒碰飞了、把玻璃丝弄断了。玻璃丝也是我们手拉的，可能拉几十根能挑出来一根适合粘这个颗粒的。
　　样品转移过程只有几十秒，但李婷却花了一周时间进行准备：提前演练手的位置，确定颗粒摆放的位置，制定样品丢失应急处理预案时间来到1月中旬，当目标颗粒稳稳地落在样品座上时，李婷心里的石头终于落了地。
　　研究嫦娥石形成条件
　　有助于倒推月球演化史
　　今年除夕，研究团队利用X射线单晶衍射仪收集到了晶体衍射数据。春节期间，科研团队马不停蹄地解译出了疑似新矿物颗粒的晶体结构，并撰写初步研究报告。
　　3月初，新矿物研究报告正式提交给国际矿物学协会新矿物命名及分类委员会。这是一种从未被发现过的富稀土元素磷酸盐新矿物，来自距离地球38万公里之遥的月球。其晶体结构属三方晶系，空间群R3c，呈微小柱状。为致敬我国航天嫦娥工程探月事业的成功，弘扬中华民族传统月球文化，将我国的传统文化和新时代中国科技发展成绩推向全世界，核地研院研究团队将月球新矿物命名为嫦娥石，英文名暂定为Changeite（Y）。
　　6月初，新矿物获得全票通过，但名称没有通过。因为嫦娥石的英文名Changeite（Y）和一种已知矿物的英文名Changoite太相似。很多人劝团队改一个名字，但团队不想放弃。
　　在中核集团核地研院重大项目总师、核地研院月球样品研究团队负责人李子颖看来，嫦娥石寄托着中国航天探测精神和美丽传说，这个名字不能轻易舍弃。
　　经过反复思考和征求意见后，他找到了一个既有中国特色也符合国际惯例的英文名字Changesite。8月3日，该新矿物最终获得国际矿物学协会新矿物命名及分类委员会通过批准。中文名嫦娥石，英文名Changesite（Y）。
　　李子颖介绍，嫦娥石的发现具有多方面科学价值：第一，嫦娥石的发现是中国科学家首次在月球发现新矿物，体现了中国的现代科技和工程水平，是中国科学家为月球探测研究作出的新贡献；第二，由于月壤样品具有稀少、细小的特点，研究本身具有难度，嫦娥石的成功发现也带动了研究手段和技术的进步，为今后同类样品研究积累了宝贵经验；第三，嫦娥石作为一种新矿物，成为矿物家族新的一员，它的发现推动了矿物科学的发展；第四，此次嫦娥五号取样地点离美国和前苏联月壤取样点较远，且月壤年龄较年轻，只有20亿年左右，增加了新地点的科学数据，由于至今未在地球上发现过嫦娥石，可通过嫦娥石形成条件倒推月球演化的特殊历史；第五，通过进一步研究嫦娥石的物理化学性质，可以为未来月球资源的开发提供新的科学依据。
　　南方日报记者徐勉实习生曾译萱
　　统筹：吕虹