從月壤裏找到“水”後，他們以為“烏龍”了……_風聞

來源：中國科學報

成果示意圖。物理所供圖

從嫦娥五號帶回的1.5克月壤中看到那粒透明的晶體時，中國科學院物理研究所（以下簡稱物理所）、北京凝聚態物理國家研究中心副研究員金士鋒沒有太驚喜。

它有頭髮絲粗細，比其他晶體透亮一點。金士鋒和博士生郝木難透過手套箱裏的放大鏡，用繡花針一樣的取樣器把它吸出來，放進帶有小格子的樣品盒裏，然後轉頭篩選其他樣品。

富含分子水的晶體。

第二天，郝木難把裝滿晶體樣品的盒子帶到物理所北京懷柔園區的測試平台做衍射分析。金士鋒則在物理所北京中關村園區參加團隊負責人、物理所研究員陳小龍組織召開的討論會。沒過多久，會議就被郝木難的電話打斷了：“金老師，有一粒透明單晶，含有結晶水！一個分子式裏有6個！”

“怎麼可能！”正在開會的老師、學生不敢相信自己的耳朵，“是不是月壤被污染了？”

之後的兩年，他們翻文獻、做測試、補實驗，目標就是消除疑慮。

如果是真的……

金士鋒和他所在團隊當然希望這個發現是真的。

如果是真的，那將是重磅發現。

這麼多年來，人們一直想方設法在月球上找水。以往的一些研究聲稱在月球上發現了“水”，但這些“水”基本都是羥基水，很難從礦物中提取出來。

與以往的發現不同，這次金士鋒所在團隊發現的是“分子水”。

“如果這個含有大量分子水的礦物真的來自月球，那麼，只要稍微加熱一下，我們就可以在月球上直接獲得水。”金士鋒告訴《中國科學報》，“這種晶體在地球上加熱到100攝氏度左右，分子水能變成水蒸氣，在月球上只要加熱到70攝氏度就行。”

他還有一個更大膽的設想：如果能在月球上找到這種晶體的富礦，它或許能夠成為人類在月球上的水源。

儘管設想讓人振奮，但人類探月史上的一些“烏龍”事件，壓制着他的興奮。

金士鋒記得，曾經美國阿波羅帶回的岩石樣品上有一塊類似鐵鏽的印記，科研人員分析後發現是羥基氧化鐵，論文發表後，引發全球關注。遺憾的是，之後科研人員做了氧的同位素分析，發現樣品中的同位素成分與美國當地環境中的同位素成分佔比一模一樣。他們判斷，羥基氧化鐵的出現是因為樣品返回地球后被當地水汽污染。

所以，當得知晶體中含有6個結晶水時，金士鋒等人的第一反應不是興奮，而是質疑。

把頭髮絲粗細的晶體切成8瓣兒

延續慣例，金士鋒等人決定用同位素鑑定法檢驗樣品來源。他們選擇了氯。

金士鋒副研究員

在地球上，自然界中的氯樣品含有75.8%的氯-35和24.2%的氯-37，地球上的絕大部分礦物中，氯-35和氯-37同位素的含量差異都在一個很小的範圍內。但月球礦物樣品中，氯-35和氯-37的佔比變化範圍非常大，是已知的太陽系內所有物質中變化最大的。

有了思路之後，團隊要做的就是完成檢測。

當時國內能做氯同位素檢測的機構，大多對樣品本身的量有一定的要求。而金士鋒等人手裏的樣品只有一粒，而且比頭髮絲粗不了多少。

他們與天津大學合作，開發出能夠檢測少量樣品氯同位素的技術，還自己做出各種各樣的“小東西”，用以將晶體制備成能被檢測的樣品。

這些“小東西”裏，包括一個超級迷你款“鍘刀”。

同位素檢測所採用的納米二次離子探針質譜儀，要求樣品表面起伏不能超過一兩微米，厚度不能超過幾十微米。“怎麼才能把這麼小的樣品切割得符合要求呢？”金士鋒想。

如果用激光，損耗太大，他們擔心“樣品還沒有完成使命，就被損耗掉了”；如果手工切，刀刃比樣品大，手的抖動幅度也比樣品大。於是，他們用了幾個月時間，做了一把很小很小的鍘刀，又把鍘刀的一端固定在樣品旁邊。最終，頭髮絲粗細的樣品被解離成符合各種檢測要求的8瓣兒。

“當時，有些團隊成員沒有堅持下來，感覺這個事情太難了。”金士鋒説。

堅持下來的人，也是在將近一年後才看到希望。為了將月壤樣品與地球標準樣品作對比，團隊又花了幾個月，買來各種試劑，按照月球樣品的分子式製備出相似的地球標準樣品，並聯合其他高校和科研院所的科研人員，用地球樣品“跑”完所有檢測流程，校準儀器，做前期技術試錯。

金士鋒所在團隊申請到的月壤樣品。

直到萬事俱備，他們才敢把月壤樣品放上質譜儀。最後的測試結果顯示，該礦物的氯同位素組成和地球礦物顯著不同，與月球本身的礦物同位素組成相符。他們還對該礦物化學成分和形成條件進行了全面分析，排除了月壤晶體來自地球污染或火箭尾氣污染的可能。

“令人驚訝”

在做實驗的同時，他們也做了很多文獻研究。

他們發現，月壤晶體的結構和組成，與地球上近年來發現的一種稀有火山口礦物相似，而地球上的這種礦石，由熱玄武岩與富含水和氨的火山氣體相互作用形成。於是，他們又對月球做了熱力學分析，發現晶體形成時期的月球火山氣體中水的含量下限，與目前地球上最為乾燥的倫蓋火山相當。

得出結果後，他們把研究細節事無鉅細地寫進論文，然後投給《自然-天文學》。

“我相信這是月球本源的礦物。祝賀作者發現了一類全新的月球礦物！”匿名評審看完後説。

這位匿名評審在評審意見中感嘆：“我們許多處於行星科學職業生涯中期的人，都接受過這樣的教育，即月球上的岩石以及月球本身是乾燥的……這是一個令人驚訝的觀察結果，將被廣泛閲讀、引用，並將改變人們對月球揮發物的看法。”

論文刊發後，這支研究團隊感受到了公眾的熱情。金士鋒發現，一些讀者在留言中問“會不會是因為地球的大氣污染”“是不是月壤在地球上吸收了水分”。“公眾不僅有科學素養，而且有科學精神。”金士鋒説。

這種熱度讓金士鋒深受觸動，他希望科學能夠進一步解開月球之謎，讓孩子們仰望月球時，會有與他兒時完全不同的感受。

如今，即便是他在仰望月球時，也有了全新的感受。他清晰地記得，2021年10月，他們把嫦娥五號月壤樣品領回實驗室的過程——1.5克樣品，小半管兒，實驗室裏三四個人一起，像寶貝一樣呵護着它，直到進入了嚴格控制的環境中才放心地打開。

今年6月，嫦娥六號帶回了從月背採集的新樣品，並將在年底面向國內開放申請。金士鋒和他所在的陳小龍團隊正在積極準備申請事宜，他們期待繼續從月壤中尋找新礦物。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41550-024-02306-8