嫦娥石理想晶體圖 國家航天局供圖
中核集團核工業北京地質研究院科研人員正在研究月壤。中核集團核工業北京地質研究院供圖
兩年前，嫦娥五號帶回了1731克月球“土特產”。日前，人們又得到了來自月球的禮物——嫦娥石，一種全新的礦物。
找到這個禮物的，是一群特殊的人——中核集團核工業北京地質研究院（以下簡稱核地研院）科研人員。60多年前，這些地質科研人員在地球上找鈾礦。如今，他們從月球的土壤裡找新礦，從“深地”走向“深空”。
“我們能做什麼？”
“我們能做什麼？”這是2020年11月24日嫦娥五號成功發射後，一群地質科研人員的思考。
作為我國唯一的綜合型鈾礦地質科研機構，過去60多年裡，核地研院的科研人員一直在地球上找石頭——鈾礦石。嫦娥五號將帶著月球土壤返回地球，這讓他們有了新的想法和追求。
“月球樣品研究，是典型的前沿基礎科學研究，它能推動和帶動一系列相關科學技術進步。”核地研院月球研究團隊牽頭人李子穎說。
2021年7月12日，這是核地研院科研人員不會忘記的日子。這一天，第一批50毫克的月壤樣品抵達核地研院，他們興奮而又忐忑。“我們簽訂的協議中規定，這50毫克中只能損耗20毫克。”核地研院第一批月球樣品負責人黃志新說。
20毫克是什麼概念？“大概相當於1顆大點的米粒。”他說，用好每一個顆粒、確保極低的樣品損失量是團隊每個人的共識。
按密度保守計算，這批月壤每1毫克中不少於1萬個顆粒。顆粒的尺寸在1微米到150微米之間，小的不足人類頭髮直徑的百分之一，大的也只有一根頭髮粗，“打一個噴嚏都會讓它失去蹤跡”。
“以往，地球樣本相對好獲取，樣本數量很大，有挑選的餘地。可是月壤不一樣，是極其珍貴的，即使這麼微小的顆粒，也不能白白損耗掉。”核地研院研究員李婷告訴記者。
“針尖上的舞者”
根據不同的實驗目的，科研人員需要將月壤按粒度和礦物種類分成7組——將成千上萬的微小月壤顆粒，按分組規則挑選出來，然後放入不同的試驗器皿。
為了儘量不因挑樣而改變月壤礦物組成以及減少樣品損失，這個步驟需要在顯微鏡下操作完成。科研人員使用針頭小於0.5微米的奈米取樣針，將月壤一顆一顆地轉移到對應的銅坩堝中，這個動作至少得重複上萬次。
“通常我們挑選地球樣品時，可以將凡士林等有一定黏性的物質塗抹在針上幫助蘸取樣品，再穩妥轉移到其他地方。而月壤的挑選不允許引入外來物質汙染，只能靠針尖和顆粒之間摩擦產生的一點靜電吸附住樣品。”李婷向記者回憶當初的工作情形，將其形容為“針尖上的舞者”。
這個過程極其考驗耐心。李婷需要長時間坐在桌前，緊盯顯微鏡，用纖細的奈米取樣針反覆嘗試剝取不到0.000001毫克的顆粒。常常遇到的情況是，針尖推著顆粒在玻璃片上來回跑，就是取不起來。只能深呼吸，穩住崩潰的情緒和僵硬的肩膀繼續一遍遍嘗試。
就這樣，李婷與這些月壤“死磕”了兩個多月。在“死磕”中，她對月壤有了更深的瞭解。當分析因此獲得的大量資料時，她發現月壤中有一種含鈣的磷酸鹽礦物。它含有的稀土元素，遠遠高於人們以往認識的此類礦物結構中可以達到的數量。
這個發現讓大家激動不已。他們預感到，這很可能是一種新礦物。
十四萬分之一的機會
每種礦物都有其特殊的化學成分（即由哪些元素構成）和晶體結構（即元素是如何排列的），這是它們身份的標誌。因此，發現一個新礦物，必須搞清楚它的化學成分和晶體結構。
李婷發現的疑似新礦物，是一顆不足10微米的月壤顆粒。他們馬上開展了針對性的系統研究，並測定了該礦物的化學組成。如果再進一步獲取它的理想晶體結構引數，那就可以證實這是一個全新的礦物。
然而，他們失敗了。
由於顆粒太小，且和輝石互動共生在一起，無論實驗手段還是後期的資料處理都沒有辦法把輝石剔除乾淨，因此一直沒法獲得理想的晶體結構資料。
“但是我們沒有放棄。”李婷說。
他們申請獲得了第二批月球樣品——月球光片樣品，繼續開展研究。這個樣品大約有14萬個顆粒，他們從中再次找到了新礦物的蹤跡。但是，有希望測到單晶結構的顆粒只有一顆，而這一顆還裂成了三小塊。要想驗證新礦物的存在，必須把它分離出來，進行晶體結構的精確解譯。
“頭髮的直徑大概是70到100微米，這個顆粒最長的邊是10微米，短的邊大概只有4微米，也就是頭髮絲的1/20，所以要把它完完整整地切出來非常困難，而且只有這一次機會。”李婷說。
只有一次機會，那意味著只能成功不許失敗，他們心理壓力很大。“我們做了很多預案，開展了一些模擬實驗。”核地研院地礦所副所長鍾軍告訴記者。
最終，他們在聚焦離子束電子顯微鏡的幫助下，在14萬個顆粒中成功分離出一顆粒徑約10微米、不到普通人頭髮平均直徑十分之一大小的單晶顆粒。整個過程用了8個小時，但他們的興奮持續了更久。“我們倆晚上回實驗室的時候，還一直在路上聊這個，非常開心。”鍾軍回憶道。
帶著一種迫不及待的心情，他們隨後對這個單晶顆粒開展解譯工作，獲得了它的晶體結構，成功確定這是一種從未被人類發現過的礦物——嫦娥石，這是他們取的名字。“紀念我們國家的嫦娥工程，也表達我們對航天事業的敬意。”李子穎說。
無色透明的柱狀晶體
嫦娥石什麼樣？
李婷向記者展示了嫦娥石真實顆粒的CT掃描圖，這是一個漂亮的柱狀晶體，無色、透明。它是一種磷酸鹽礦物，存在於玄武岩中，伴生礦物有鐵橄欖石、單斜輝石、鈦鐵礦、鈣長石、斜鋯石、方石英、隕硫鐵和玻璃等。
2022年8月，嫦娥石獲得國際礦物協會新礦物命名及分類委員會透過，確證為一種新礦物。這是我國發現的第一個月球新礦物，也是人類發現的第六個月球新礦物，這使我國成為世界第三個發現月球新礦物的國家。
“對我們來說，發現月球新礦物是偶然，也是必然。”李婷說，近十年來，核地研院主導和參與發現17種新礦物，儲備了紮實的礦物學知識和先進的研究技術。
李子穎認為，新礦物的發現，將推動礦物學科的發展，也為研究月球形成和演化，以及以月球為基地進行其他深空探測等提供幫助。
此次月壤樣品研究，還首次成功獲得嫦娥五號月壤中未來聚變能源資源——氦-3含量和提取引數，為我國後續進行月球氦-3資源的遙感預測和資源總量估算，以及氦-3資源未來開發提供了基礎科學資料。此外，還系統獲得了嫦娥五號月球樣品的形貌及礦物組成，為研究月球演化和形成提供了有力支撐。
“這是一個重要的開端。”在核地研院副院長陳亮看來，“深地、深海、深空”是國家資源領域的重大戰略方向，“深地”是核地研院傳統技術的自然延伸，而月球樣品研究意味著他們從地球走向月球，向“深空”探索。
（本報北京9月10日電 本報記者 陳海波）