小時候仰望星空，誰還沒有一個月亮夢，老人說那里有嫦娥，2020年嫦娥五號登月帶回了月球的土壤，2022年中國人發(fā)現(xiàn)了一份來自月球的珍貴禮物！
9月9日，恰逢中華民族傳統(tǒng)佳節(jié)中秋前夕，國家航天局、國家原子能機構(gòu)聯(lián)合在京發(fā)布嫦娥五號最新科學(xué)成果：中核集團核工業(yè)北京地質(zhì)研究院在月球樣品研究中發(fā)現(xiàn)新礦物，被命名為“嫦娥石”，并獲國際礦物協(xié)會新礦物分類及命名委員會批準。這是我國首次發(fā)現(xiàn)的月球新礦物，也是國際上發(fā)現(xiàn)的第六個月球新礦物。作為我國天體礦物學(xué)研究的重大突破性成果，“嫦娥石”的發(fā)現(xiàn)使我國成為世界上第三個發(fā)現(xiàn)月球新礦物的國家，為和平利用和合作開發(fā)太空資源貢獻了中國力量。
“嫦娥石”是除“廣寒宮”、“織女”、“河鼓”等月球地理實體命名外，月球科學(xué)探索中的又一具有中國文化特色的名稱，再次展示了科學(xué)技術(shù)與文化藝術(shù)融合的中國式浪漫 。這是我國在空間科學(xué)領(lǐng)域取得的一項重大科學(xué)成果，也是核與航天跨行業(yè)、跨專業(yè)合作的一次有力探索。
國家原子能機構(gòu)副主任董保同，國家航天局秘書長許洪亮，國家原子能機構(gòu)秘書長鄧戈，探月工程副總指揮、國家航天局探月與航天工程中心主任劉繼忠，國家航天局、國家原子能機構(gòu)新聞辦主任孟華，國家航天局、國家原子能機構(gòu)新聞辦副主任崔喜斌，中核集團黨組成員、總會計師王學(xué)軍等出席活動。
發(fā)布會上還公布了中核集團其他兩項月球樣品研究成果：一是我國首次成功獲得嫦娥五號月壤中未來聚變能源資源——氦-3含量及提取參數(shù)條件，為我國月球資源評價和開發(fā)提供了基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù);二是系統(tǒng)研究并獲得了月壤顆粒的典型形貌特征，為研究月壤形成提供了科學(xué)依據(jù)。
月球研究是重要的基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究。開展月壤與月巖樣品的物質(zhì)成分與核科學(xué)研究，評價月球核能資源利用前景，是中國探月工程的科學(xué)戰(zhàn)略目標之一，核科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用在其中起到了重要的推動作用。
一直以來，中核集團全力以赴服務(wù)國家戰(zhàn)略，為國家深空探測戰(zhàn)略提供支撐保障。中核集團對月球樣品的研究可以追溯到40多年前。1978年，美國送給中國1克月壤樣品，中核集團原子能院測定了樣品中36種元素含量。特別是自中國探月工程實施以來，中核集團一直積極準備月壤樣品的分析，先后對模擬月壤、月球隕石等進行活化分析實驗，針對定量過程中的鈾裂變干擾、快中子閾反應(yīng)干擾、量值溯源和傳遞、質(zhì)控等進行了多年實驗研究，為月壤分析積累了寶貴的經(jīng)驗。
2020年12月17日，我國嫦娥五號探測器攜帶1731克月球“土特產(chǎn)”成功返回地球，這是人類40多年后再次采集月壤，也使中國成為第三個成功采集月球土壤的國家。
中核集團核地研院是我國首批獲得月球樣品的科研單位之一。針對本次月球樣品研究，核地研院組建了以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(chǔ)地質(zhì)科學(xué)問題攻關(guān)。最終科研團隊在十四萬個顆粒中成功分離出一顆方圓約10微米大小的單晶顆粒，也就是普通人頭發(fā)絲平均直徑十分之一不到的大小，成功解譯了其晶體結(jié)構(gòu)，確證其是一種新的礦物。
作為核能領(lǐng)域國家骨干科研院所，核地研院堅持服務(wù)國家戰(zhàn)略，堅持研產(chǎn)融合發(fā)展，理論創(chuàng)新與技術(shù)突破并舉，不斷拓展其研發(fā)領(lǐng)域，科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)服務(wù)能力不斷提升，已成為全國核地質(zhì)科技中心，是我國唯一一家以鈾礦地質(zhì)研究為主的綜合性科研單位。
國家航天局、國家原子能機構(gòu)有關(guān)部門以及中核集團黨群工作部、中國鈾業(yè)、宣傳文化中心、核地研院等部門單位負責(zé)人參加活動。
深度解讀，月亮上真的有“嫦娥”
“新礦物獲得批準了，但名稱沒有通過。”
6月底，當中核集團核工業(yè)北京地質(zhì)研究院月球研究團隊的牽頭人李子穎將這個消息告訴團隊成員時，大家的心都是猛地一跌。
此前，他們是完全沉浸在興奮中的。就是這個團隊經(jīng)過了1年多的不懈努力，發(fā)現(xiàn)了一種月球新礦物。這是我國發(fā)現(xiàn)的第一個月球新礦物，它的發(fā)現(xiàn)改變了我國天體礦物發(fā)現(xiàn)歷史，使我國成為世界第三個發(fā)現(xiàn)月球新礦物的國家。
“嫦娥石”是這支團隊為它精心挑選的名字。而與之相應(yīng)的英文名字“changeite”卻因為與此前已發(fā)現(xiàn)的礦物“changoite”太接近，而被否決。名稱沒通過，就意味著這項成果暫時還無法發(fā)布。
“一個名字而已，改掉吧，按照國際慣例改成以我國地質(zhì)領(lǐng)域名人或本身的物質(zhì)結(jié)構(gòu)來命名吧。嫦娥，外國人根本無法理解。”很多人都在給李子穎建議。
李子穎始終沒有回答。“changeite”“changeite”這個名字被他每天一遍又一遍地劃在紙上，“我始終不想改變嫦娥石這個名字，我想把這個寄托著中國航天探測精神和美麗傳說講給世界聽，它必然是動人的。我肯定能找到一個既有中國特色而且也符合國際慣例的英文名字。”
稍作修改后，“changesite”這個名字帶著更豐富的內(nèi)涵被提交了上去。“首先，這是紀念我國嫦娥工程首次取回的月球樣品;然后，它明確了該礦物來自中國傳統(tǒng)神話‘嫦娥’(Chang’E)的居住地(site)，即月球;同時也表明該礦物取自嫦娥五號(Chang’E)的降落點(site);最后，‘S’既是中文‘石-Shi’又是英文‘石-Stone’開頭的第一個字母，從發(fā)音上也更接近嫦娥石，國內(nèi)國際都很好理解。”，團隊帶著自信，又將新的英文名稱提交申請了。
又等了漫長一個多月，最終該礦物獲國際礦物協(xié)會新礦物命名及分類委員會(IMA-CNMNC)通過批準，最終名稱為“嫦娥石”，英文Changesite-(Y)。
“看看，月亮上真的有嫦娥。我們中國人美好的神話故事，用我們自己的智慧和努力變成了現(xiàn)實。”告訴記者這句話時，李子穎的眼中閃著光，興奮得像個孩子——這真的是中國人的“硬核”浪漫。
1、打開，一粒“大米”世界
夜色已經(jīng)很濃。
坐在桌前、盯著顯微鏡、用一根纖細的納米取樣針反復(fù)去試圖剝?nèi)∫活w0.000001mg不到的顆粒……這個動作已經(jīng)持續(xù)了不止兩個小時，此刻，核地研院月球研究團隊的李婷身體僵直、眼睛酸脹。但她不想放棄，這個在顯微鏡下都可能倏忽不見的“小東西”實在太珍貴了。
然而“小東西”彷佛被施了魔法，無數(shù)次被納米取樣針推向撥片的邊緣，始終不肯“就犯”。她堅持著，大氣都不敢出，生怕一個不留神的噴嚏都會讓它失去蹤跡。一次又一次的失敗重來，“小東西”終于被她手中玻璃絲的細尖捕獲——新礦物取樣成功!
科研團隊工作場景
在本次月壤研究中，研究員李婷負責(zé)需要將成千上萬的微小顆粒按實驗設(shè)計挑選分類。這個工作需要穩(wěn)定的手上功夫和極大的耐心。
“通常我們挑選地球樣品時，可以將凡士林等有一定粘性的物質(zhì)涂抹在針上幫助蘸取樣品，再穩(wěn)妥的轉(zhuǎn)移到其他地方。而月壤的挑選不允許引入外來物質(zhì)污染，只能靠針尖和顆粒之間摩擦產(chǎn)生的一點靜電吸附住樣品，這真是一個既充滿希望，有時又絕望崩潰的過程。”她這樣回憶當初的工作情形。
2021年7月12日，第一批50mg的月壤抵達核地研院。“這50mg中我們簽訂的協(xié)議中規(guī)定只能損耗20mg。”核地研院第一批月球樣品負責(zé)人黃志新告訴記者。月壤樣品的申請中，競爭異常激烈，最終僅13家單位申請通過評審。“得來不易。”這是黃志新的最大感受。
那20mg，是什么概念?“大概就是1顆大點的米粒吧。”就連已經(jīng)坐慣了實驗室顯微鏡下工作的李婷都坦言：“以往的地球樣本，相對好獲取，樣本數(shù)量很大有挑選的余地，像這么微小的樣本顆粒，太費力了，通常就換顆樣品。可是月壤是極其珍貴的，即使這么微小的顆粒，也不能白白損耗掉。”
在挑樣中，根據(jù)不同的實驗?zāi)康模铈靡獜?mg月壤中，顆粒多達50萬顆的樣品分成7組。第一批月球樣品中顆粒的尺寸集中在1微米到150微米之間，按密度保守計算，每1mg樣品中不少于一萬個顆粒。為了盡量不因挑樣而改變月壤礦物組成，同時盡量減少樣品損失，這些顆粒都要按規(guī)則分入對應(yīng)的坩堝中——也就是說這樣“挑起細小顆粒放入試驗器皿”的動作至少重復(fù)了上萬次。
和這批樣品，李婷“死磕”了兩個多月。可能也正是因為反復(fù)的操作讓李婷對月壤樣品的了解格外深刻，當面對這批樣品分析獲得的大量數(shù)據(jù)時，這個心細如發(fā)的姑娘有了一個重大的發(fā)現(xiàn)：“有一種含鈣的磷酸鹽礦物，它含有的稀土元素遠遠高于我們以往認識的此類礦物結(jié)構(gòu)中可以達到數(shù)量，也就說這是一顆我們認知以外的新礦物。”
然而，它在哪里?這種礦物太少太小，在這批樣品中無法找到一顆較好的顆粒能夠讓科研團隊破譯它的結(jié)構(gòu)。
2、破譯，十四萬分之一的可能
掃描電鏡反復(fù)確認、準確定位所需分離切割的礦物，
高能的聚焦離子束從礦物四周進行斜向切割，
底部斜向“入刀”使目標礦物實現(xiàn)和周圍圍巖分離，
掃描電鏡的倉口探入比頭發(fā)絲還細的鎢針，
聚焦離子束對鎢針整形后，用鉑蒸汽將其焊接到分離的目標礦物之上，采集完的目標礦物從儀器倉中取出，
放入特制的樣品保管“膠囊”，
將其帶至下一步開展晶體結(jié)構(gòu)分析的實驗室……
2021年隆冬的一個周六，整棟辦公樓都空空蕩蕩的。“安靜、喘氣的聲音都清晰可聞”，在實驗室小心翼翼度過的這8個小時，讓鐘軍至今記憶猶新。就是那一刻，核地研院月球團隊成功分離出了一粒微米級礦物，為他們的新發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
科研團隊工作場景
通過對第一批月壤科研樣品開展系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)了新礦物的蹤跡，并測定該礦物的化學(xué)組成，但由于新礦物顆粒太小太少，一直無法獲得新礦物的理想晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，必須要借助新的月壤樣品進一步尋找符合條件的大顆粒標本，才有可能全面證實。
作為“接棒人”，鐘軍圍繞核能鈾釷裂變元素研究主題，反復(fù)斟酌挑選了擬申請的最為合適的月球樣品。他閱讀了大量文獻，和團隊成員反復(fù)探討，不斷優(yōu)化和完善借用申請及匯報材料。最終，他們的材料從240多份申請中脫穎而出，成功借用到月球光片樣品1件。
據(jù)鐘軍介紹，借用到的所謂光片樣品是國家天文臺已經(jīng)處理好的特制圓柱樹脂靶，直徑約2.5厘米，十萬余個月壤顆粒被澆筑到樹脂靶上并進行了表面拋光，可對靶平面上揭露出的礦物直接開展后續(xù)科學(xué)研究與分析測試。一拿到光片，科研團隊立刻采用原位微區(qū)測試分析方法開展礦物尺度的研究，首先對整個樣品的所有礦物開展了快速的面掃描工作，對該樣品中接近十四萬個的礦物/巖屑顆粒中，幾顆僅有頭發(fā)絲直徑十分之一大小的富含稀土的磷酸鹽礦物顆粒，被他們成功“抓取”。
“要想驗證新礦物的存在就要把這幾個顆粒切出來，做礦物單晶的晶體結(jié)構(gòu)精確解譯。而相對較大、平面上看成分較純的，適合我們做解構(gòu)的潛在目標礦物僅有三粒，極為細小稀有。”于是，就有了本段開篇的那一幕。
緊接著，所切下的顆粒中，唯一的一顆可用于后續(xù)驗證的顆粒被最終確定下來。李婷所帶的礦物研究團隊利用單晶X射線衍射儀對潛在的新礦物開展了后續(xù)的精細結(jié)構(gòu)解譯，準確確定了這個礦物的晶體結(jié)構(gòu)，最終確定這個新礦物。
科研團隊工作場景
這并不是核地研院在地質(zhì)分析中所發(fā)現(xiàn)的第一個新礦物了。在三年時間中，李婷博士所在的團隊已經(jīng)先后主導(dǎo)和參與發(fā)現(xiàn)5種地球新礦物和1種月球新礦物。
每一種礦物樣品，都是被這樣一只白皙、纖細的手撥入顯微鏡下，不斷的觀察觀察……“你這是被上帝親吻過的手啊。”看著李婷的手，記者忍不住感慨。
“如果真的是被上帝親吻過，那他親吻的一定是我的勤奮。”李婷笑答。
的確，只有她自己知道在長達2個多月的月壤樣品分類中累到肩胛骨脫扣的痛苦;自2004年步入大學(xué)校門、開啟地質(zhì)學(xué)學(xué)習(xí)以來，沉浸在各類地質(zhì)專著、埋首于大量數(shù)據(jù)中的無盡求索;坐在實驗室里，全部世界就只剩顯微鏡下直徑不過一厘米光區(qū)的漫長時光……
每個亮如星辰的成就瞬間，背后都是長年累月的乏善可陳。
溯源，科學(xué)家的好奇心是無限的
“是什么讓我們能抓住這十四萬分之一的機會?”記者在采訪中，反復(fù)地將這個問題提給了這支團隊中不同的人。勤奮、團結(jié)、用心、專注……這個團隊每個人都有自己心中的答案，然而所有這些答案匯聚到一起，恰恰就是那句“機會只留給有準備的人。”
為了此刻的成就，我們可以把這支團隊準備的時間回溯再回溯……
2020年11月，在李子穎帶領(lǐng)下，經(jīng)過無數(shù)次研究討論后，核地研院月球研究團隊確定了以月球核能裂變和聚變元素為主要研究方向。核地研院立刻組建了月球樣品分析檢測實驗室。“完善月球樣品申請管理使用制度、構(gòu)建月球樣品保存及處理潔凈間、模擬樣品演練，這三項任務(wù)從那一刻就起頭并進的準備起來。”分析測試所所長郭冬發(fā)向記者介紹。
在拿到樣品之前，整個團隊就制定了周全的技術(shù)路線，獲批樣品后，實驗技術(shù)方案反復(fù)不斷優(yōu)化，又詳詳細細地將實驗涉及到的細節(jié)捋了一遍，不遺漏一點一滴，關(guān)鍵環(huán)節(jié)采用模擬樣品驗證。“所有后面可能發(fā)生的情況，我們都有所考慮。盡管，我們月壤申請的主要研究課題是核能元素和核素的研究，但我們充分考慮了有發(fā)現(xiàn)新礦物的可能，因此基礎(chǔ)的礦物分析環(huán)節(jié)從提前的預(yù)演到后面具體的操作計劃都安排得非常扎實。這也是我們在完成主要科研課題的同時，能夠意想不到的發(fā)現(xiàn)了新礦物的重要原因。”郭冬發(fā)如是說。
自“十一五”期間開始，在國家原子能機構(gòu)和中核集團等支持下，核地研院陸續(xù)建立了高精尖分析檢測實驗室，能力水平大大提高……“可以說，我們的分析實驗中心高端檢測設(shè)備發(fā)生了從無到有的蛻變，整體分析檢測能力完成了質(zhì)的飛躍。”核地研院總工程師秦明寬感慨地說。
事實上，任何重大科研成果的獲得都不可能來自臨時抱佛腳。郭冬發(fā)舉例：“比如，月球樣品處理潔凈間原來是專門為做特殊樣品保留的潔凈間，環(huán)境長期以來保持干凈整潔——這間‘凈室’成了我們開展月壤研究的不可或缺的重要場所。”
前沿基礎(chǔ)科學(xué)是推動人類文明進步的原動力，基礎(chǔ)研究一旦產(chǎn)生成果，那很有可能就是顛覆性的、革命性的。月球樣品研究，是典型的前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究，它能推動和帶動一系列相關(guān)科學(xué)技術(shù)進步。
“這是一條相當漫長而曲折的道路，無論經(jīng)費、時間、精力，所有的投入都必然是有限的，而唯一無限的是科學(xué)家的好奇心。”在李子穎的眼中，看待此刻的成就絕不能僅局限于拿到月壤后做了什么，更是與半個多世紀以來，核地質(zhì)科學(xué)家們不斷探索更多未知的創(chuàng)新實踐息息相關(guān)。
“自核地研院建院以來，一直堅持服務(wù)國家戰(zhàn)略，不斷拓寬科研領(lǐng)域。上世紀70年代，我們將航測遙感技術(shù)引入我們的研究領(lǐng)域，如今已經(jīng)建成了行業(yè)知名的重點實驗室;上世紀80年代，我們開始做高放廢物深地質(zhì)處置研究，如今北山地下實驗室項目已開工建設(shè);近年來，我們開拓了地?zé)豳Y源勘查新領(lǐng)域，也取得了喜人的成績。‘深地、深海、深空’是國家資源領(lǐng)域的重大戰(zhàn)略方向，我們一直圍繞這一戰(zhàn)略，不斷拓展科研能力。‘深地’是我們傳統(tǒng)技術(shù)的自然延伸，這次的月球樣品科學(xué)研究，則是我們由地球走向月球，向‘深空’探索的重要開端。”最后，該院副院長（主持工作）陳亮說。
