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xsmb cặp:月球嫦娥石发现记:破译,十四万分之一的可能

admin2022-09-207

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每个亮如星辰的成就瞬间,背后都是长年累月的默默无闻

月球嫦娥石发现记

9月9日,北京阜成路甲8号,国家航天局和国家原子能机构所在地。

还有一天,就是中秋佳节了,这里向外界宣布中国科学家首次在月球发现新矿物,命名为“嫦娥石”。消息发布后引发关注,不少网友称之为“来自月球的中秋礼物”。

这是我国首次发现的月球新矿物,也是国际上发现的第6个月球新矿物。它的发现改变了我国月球矿物探索历史,使我国成为世界上第3个发现月球新矿物的国家。

当天,58岁的中核集团核工业北京地质研究院(以下简称地研院)月球研究团队牵头人李子颖站在发布会上难掩激动之情,就是他带领团队经过了1年多的努力,发现了这种月球新矿物。

在接受中青报·中青网记者采访时,李子颖眼中闪着光,兴奋得像个孩子,他说:“看看,月亮上真的有‘嫦娥’。我们中国人美好的神话故事,用我们自己的智慧和努力变成了现实。”

打开,1粒“大米”的世界

夜色已经很浓。

坐在桌前,盯着显微镜,用一根纤细的纳米取样针,反复去试图剥取一颗0.000001毫克不到的颗粒……这个动作已经持续了不止两个小时,此刻,地研院研究员李婷身体僵直、眼睛酸胀。但她不想放弃,这个在显微镜下都可能倏忽不见的“小东西”,实在太珍贵了。

被她称作“小东西”的就是嫦娥五号月壤样品。

2020年12月17日,嫦娥五号携带1731克月球样品返回地球。对月球样品的申请,竞争异常激烈,一共有23家高校和科研院所的85份申请通过初审,经现场答辩,最终仅13家单位31份申请通过评审,通过率仅为36.5%。

2021年7月12日,第一批50毫克的月壤抵达地研院。

黄志新至今记得这个日子,这位地研院第一批月球样品负责人告诉记者,“这50毫克中,我们签订的协议规定只能损耗20毫克。”

20毫克是什么概念?

“大概就是1颗大点的米粒吧。”就连已坐惯了实验室显微镜下工作的李婷都坦言:“月壤是极其珍贵的,即使这么微小的颗粒,也不能白白损耗掉。”

分样过程是月壤研究中“最刺激、最紧张”的环节,毫不夸张地说是用“激动的心”强稳“颤抖的手”。

分样在超净室中进行,两人一起进入操作,需要穿着专用的实验服和手套,全程由摄像头监控。在开启样品之前,团队制定了实验计划,包括取样步骤、取出的样品量、分成多少份、每份各自多少量、针对不同实验如何分装、如何转移等等。

在此次月壤研究中,李婷负责需要将成千上万的微小颗粒按实验设计挑选分类。“分取使用的天平是百万级天平,可以精确到0.001毫克。最困难的是要称取数份0.1毫克样品——一颗绿豆大约80毫克,相当于他们需要取1/800颗绿豆,手稍抖一下就超量了。”李婷说。

她告诉记者,如此少的样品必须尽量一次性称准。每次称量都先是目估,死死盯着取样勺里几乎看不见的“小黑点”,再三权衡,估摸着不能超量才敢倒入样品槽中。每个空样品槽称三遍,放入样品后再称三遍,以确保称量准确。

“通常我们挑选地球样品时,可以将凡士林等有一定黏性的物质涂抹在针上帮助‘蘸取’样品,再稳妥地转移到其他地方。而月壤的挑选不允许引入外来‘污染’,只能靠针尖和颗粒之间摩擦产生的一点静电吸附住样品,经常针尖推着样品在玻璃片上来回跑,就是取不起来,每每这个时候都既绝望又崩溃。”李婷说。

只能深呼吸,稳住崩溃的情绪和僵硬的肩膀,一遍遍尝试。这些颗粒中,小的不足头发直径的1/100,大的有一根头发粗细。

一次又一次的失败重来,和这批样品“死磕”了两个多月,“小东西”终于被李婷手中玻璃丝的细尖捕获——新矿物取样成功!

反复的操作,让李婷对月壤样品的了解格外深刻,面对这批样品分析获得的大量数据时,这个心细的姑娘有了一个重大发现:“有一种含钙的磷酸盐矿物,它含有的稀土元素远远高于我们以往认识的此类矿物结构中可以达到的数量,意味着这是一颗我们认知以外的新矿物。”

然而,它在哪里?这种矿物太少太小,在这批样品中无法找到一颗较好的颗粒能够让科研团队破译它的结构。

破译,十四万分之一的可能

2021年隆冬的一个周六,整栋办公楼都空空荡荡的。

“安静、喘气的声音都清晰可闻。”在实验室小心翼翼度过的这8个小时,让钟军至今记忆犹新。就是那一刻,他所在的地研院月球团队成功分离出了一粒微米级矿物,为他们的新发现奠定了基础。

扫描电镜反复确认、准确定位所需分离切割的矿物,高能的聚焦离子束从矿物四周进行斜向切割,底部斜向“入刀”使目标矿物实现和周围围岩分离,扫描电镜的仓口探入比头发丝还细的钨针,聚焦离子束对钨针整形后,用铂蒸汽将其焊接到分离的目标矿物之上,采集完的目标矿物从仪器舱中取出,放入特制的样品保管“胶囊”, 将其带至下一步开展晶体结构分析的实验室……

通过对第一批月壤科研样品开展系统研究,团队发现了新矿物的踪迹,并测定该矿物的化学组成,但由于新矿物颗粒太小太少,一直无法获得新矿物的理想晶体结构参数,必须要借助新的月壤样品进一步寻找符合条件的大颗粒标本,才有可能全面证实。

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作为“接棒人”,钟军围绕核能铀钍裂变元素研究主题,反复斟酌挑选了拟申请的最为合适的月球样品。他阅读了大量文献,和团队成员反复探讨,不断优化和完善借用申请及汇报材料。

最终,他们的材料从240多份申请中脱颖而出,成功借用到1件月球光片样品。

钟军回忆,一拿到光片,科研团队立刻采用原位微区测试分析方法开展矿物尺度的研究,首先对整个样品的所有矿物进行了快速面扫描,在接近14万个的矿物/岩屑颗粒中,成功“抓取”了几颗仅有头发丝直径十分之一大小的富含稀土的磷酸盐矿物颗粒。

“要想验证新矿物的存在,就要把这几个颗粒切出来,做矿物单晶的晶体结构精确解译。而相对较大、平面上看成分较纯的,适合我们做解构的潜在目标矿物仅有3粒,极为细小稀有。”钟军说。

最终,确定了唯一一颗可用于后续验证的颗粒。

李婷所带的矿物研究团队,利用单晶X射线衍射仪对潜在的新矿物,开展了后续的精细结构解译,确定了这个新矿物。

这并不是地研院在地质分析中所发现的第一个新矿物。过去3年,李婷所在的团队已经先后主导和参与发现5种地球新矿物。

每一种矿物样品,都是被这样一只白皙纤细的手拨入显微镜下不断观察……有同事说,或许只有李婷自己知道,在长达两个多月的月壤样品分类中累到肩胛骨脱扣的痛苦;坐在实验室里,全世界就只剩显微镜下直径不过一厘米光区的漫长时光……

每个亮如星辰的成就瞬间,背后都是长年累月的默默无闻。

溯源,科学探索背后无限的好奇心

是什么让他们抓住了这十四万分之一的机会?

勤奋、团结、用心、专注……团队22个人成员,每个人都有自己的答案,然而所有这些答案汇聚到一起,恰恰就是那句“机会只留给有准备的人”。

2020年11月,在李子颖带领下,地研院月球研究团队经过无数次研究讨论后,确定了以月球核能裂变和聚变元素为主要研究方向。随后,地研院组建了月球样品分析检测实验室。

“完善月球样品申请管理使用制度,构建月球样品保存及处理洁净间,模拟样品演练,这三项任务从那一刻就齐头并进准备起来了。”地研院分析测试所所长郭冬发说。

事实上,任何重大科研成果的获得都不可能来自临时抱佛脚。郭冬发举例:“比如,月球样品处理洁净间原来是专门为做特殊样品保留的洁净间,环境长期以来保持干净整洁——这间‘净室’成了我们开展月壤研究不可或缺的重要场所。”

前沿基础科学是推动人类文明进步的原动力,基础研究一旦产生成果,那很有可能就是颠覆性的、革命性的。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。

“这是一条相当漫长而曲折的道路,无论经费、时间、精力,所有的投入都必然是有限的,而唯一无限的是科学家的好奇心。”在李子颖的眼中,看待此刻的成就,绝不能仅局限于拿到月壤后做了什么,更是与半个多世纪以来,核地质科学家们不断探索更多未知的创新实践息息相关。

“新矿物获得批准了,但名称没有通过。”

今年6月底,当李子颖将这个消息告诉团队成员时,大家的心都是猛地一跌。

“嫦娥石”是这支团队为它精心挑选的名字。而与之相应的英文名字“changeite”,因为与此前已发现的矿物“changoite”太接近,而被否决。名称没通过,就意味着这项成果暂时还无法发布。

“一个名字而已,改掉吧,按照国际惯例改成以我国地质领域名人或本身的物质结构来命名吧。嫦娥?外国人根本无法理解。”很多人都在给李子颖建议。

李子颖始终没有回答。

“changeite”“changeite”这个名字被他每天一遍又一遍地划在纸上。

“我始终不想改变嫦娥石这个名字,我想把这个寄托着中国航天探测精神的美丽传说讲给世界听,它必然是动人的。我肯定能找到一个既有中国特色而且也符合国际惯例的英文名字。”李子颖说。

稍做修改后,“changesite”这个名字带着更丰富的内涵被提交了上去。

“首先,这是纪念我国嫦娥工程首次取回的月球样品;然后,它明确了该矿物来自中国传统神话‘嫦娥’(Chang’E)的居住地(site),即月球;同时也表明该矿物取自嫦娥五号的降落点;最后,‘S’既是中文‘石-Shi’又是英文‘石-Stone’开头的第一个字母,从发音上也更接近嫦娥石,国内国际都很好理解。”李子颖说。

团队将新的英文名称提交申请了。

等了一个多月,该矿物获国际矿物协会新矿物命名及分类委员会的批准,最终名称为“嫦娥石”,英文Changesite-(Y)。

从此,月亮上有了嫦娥石。

中青报·中青网记者 邱晨辉 通讯员 杨阿卓 来源:中国青年报

2022年09月19日 08 版

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