我國科學(xué)家在月壤中首次發(fā)現(xiàn)分子水

從中國科學(xué)院物理研究所獲悉，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心研究員陳小龍、副研究員金士鋒、博士研究生郝木難等，聯(lián)合北京科技大學(xué)副教授郭中楠、天津大學(xué)工程師殷博昊、中國科學(xué)院青海鹽湖研究所研究員馬云麒、鄭州大學(xué)工程師鄧麗君等，在嫦娥五號帶回的月球樣本中，發(fā)現(xiàn)了月球上一種富含水分子和銨的未知礦物晶體——ULM-1。這標(biāo)志著科學(xué)家首次在月壤中發(fā)現(xiàn)了分子水，揭示了水分子和銨在月球上的真實存在形式。該研究成果近日在學(xué)術(shù)期刊《自然-天文學(xué)》（Nature Astronomy）在線發(fā)表。

月球上是否存在水，對于月球演化研究和資源開發(fā)至關(guān)重要。對1969年至1972年采集的阿波羅樣品的研究表明，月壤中未發(fā)現(xiàn)任何含水礦物。此后，月球不含水成為月球科學(xué)的基本假設(shè)，這對認識月球火山演化、月地起源等問題產(chǎn)生了重要影響。1994年，研究人員通過克萊門汀探測器對月球兩極進行觀測，提出極區(qū)永久陰影區(qū)的月壤中可能存在水冰。2009年，月船一號搭載的月球礦物繪圖光譜儀發(fā)現(xiàn)，月球表面存在太陽風(fēng)導(dǎo)致的羥基和/或水分子信號。同年，月球觀測和傳感衛(wèi)星以2.5公里/秒的速度撞擊了月球永久陰影區(qū)，而對撞擊塵埃的遙感測量顯示了水的信號。近年來，遙感數(shù)據(jù)表明月球光照區(qū)有水分子存在的跡象。針對當(dāng)年采集的阿波羅月球樣品，科學(xué)家運用高靈敏度的表征技術(shù)，在部分玻璃和礦物中發(fā)現(xiàn)了百萬分之一量級的“水”（H+、OH-或H2O），但沒有水分子存在的確鑿證據(jù)。

富含水分子和銨的未知礦物晶體——ULM-1和成分組成

我國嫦娥5號采集的月壤樣品屬于最年輕的玄武巖，是迄今為止緯度最高的月球樣品，為月球水的研究提供了新機遇。我國科研人員開展的這項研究基于單晶衍射和化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，這些月球水和銨以一種成分為（NH4,K,Cs,Rb）MgCl3·6H2O的水合礦物形式出現(xiàn)。該礦物分子式中含有多達六個結(jié)晶水，水分子在樣品中的質(zhì)量比高達41%。紅外光譜和拉曼光譜上均可以清晰地觀察到源于水分子和銨的特征振動峰。晶體的電荷密度可以清晰地看到水分子中的氫。ULM-1的晶體結(jié)構(gòu)和組成與地球上近年來發(fā)現(xiàn)的一種稀有火山口礦物相似。地球上，該礦物是由熱玄武巖與富含水和氨的火山氣體相互作用形成。這為月球上的水和氨的來源提供了新線索。

為了確保這一發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確性，該研究進行了嚴(yán)格的化學(xué)和氯同位素分析。納米二次離子質(zhì)譜數(shù)據(jù)表明，該礦物的Cl同位素組成和地球礦物顯著不同，與月球上的礦物相符。研究人員對該礦物化學(xué)成分和形成條件進行分析，進一步排除了地球污染或火箭尾氣作為這種水合物的來源。該六水礦物的存在為月球火山氣體的組成給出了重要的約束。熱力學(xué)分析顯示，當(dāng)時月球火山氣體中水的含量下限與目前地球中最為干燥的倫蓋火山相當(dāng)。這揭示了復(fù)雜的月球火山脫氣歷史，對探討月球的演化過程具有重要意義。

這種水合礦物的發(fā)現(xiàn)揭示了月球上水分子可能存在的一種形式——水合鹽。與易揮發(fā)的水冰不同，這種水合物在月球高維度地區(qū)（嫦娥5號采樣點）非常穩(wěn)定。這意味著，即使在廣闊的月球陽光照射區(qū)，也可能存在這種穩(wěn)定的水合鹽。這為未來月球資源的開發(fā)和利用提供了新的可能性。