月壤中发现富含水分子的矿物 – 材料牛

月球是月壤否存在水，一直是现富月球科学研究与资源利用的核心议题，吸引了学术界长达数十年的含水关注。历史上，矿物阿波罗任务采集的材料月壤中没有发现任何含水矿物，曾一度让科学界认为月球是月壤干燥的荒漠。直到近年来，现富一系列遥感任务在月球两极的含水永久阴影区和部分月球光照区，发现了月球水存在的矿物证据。运用高灵敏度的材料表征技术，人们陆续在部分阿波罗样品中发现了PPM（百万分之一）量级的月壤“水”（羟基OH^-）。截至目前，现富返回的含水月壤中依然没有发现水分子（H₂O）存在的确凿证据。分子水在月表的矿物存在形式也一直不为人知。

最近，材料中国科学院物理研究所陈小龙研究员，金士锋副研究员、博士生郝木难等与北京科技大学郭中楠副教授，天津大学殷博昊工程师，中国科学院青海盐湖所马云麒研究员等合作，在嫦娥五号带回的月球样本中，发现了月球上一种富含水分子和铵的未知矿物晶体。这一发现标志着首次在月壤中发现了分子水，同时揭示了水分子和铵在月球上的真实存在形式。

通过高精度的单晶衍射和化学分析，研究人员确定了该矿物的分子式为(NH₄,K,Cs,Rb) MgCl₃·6H₂O，是一种水合矿物（图1）。其结构中含有多达六个结晶水，水分子在样品中的质量比高达41%（图2）。红外和拉曼光谱可以清晰的观察到水分子和铵的振动峰（图1），电荷密度分析可以分辨出水分子中的氢（图2）。该矿物的晶体结构与地球上近年来发现的一种稀有火山口矿物相同。在地球上，该类矿物是由热玄武岩与富含水和氨的火山气体相互作用形成，暗示了月球水与火山活动的紧密联系。

为了确保这一发现的准确性，研究人员进行了严格的化学和氯同位素（³⁷Cl/³⁵Cl）分析。纳米二次离子质谱（NanoSIMS）数据表明，该矿物的Cl同位素组成和地球矿物显著不同，其δ³⁷Cl值高达24‰，与月球上的矿物相符（图3）。对该矿物化学成分和形成条件的分析，进一步排除了地球污染或火箭尾气作为这种水合物的来源。该六水矿物的存在对于月球火山气体的组成形成重要的约束。基于热力学分析，当时月球火山气体中水的含量下限与目前地球中最为干燥的Lengai火山相当（图4），这对于我们理解月球的演化过程具有重要意义。这些发现揭示了一个复杂的月球火山脱气历史。

这种水合矿物的发现还为我们揭示了月球上水分子可能存在的一种形式——水合盐。与易挥发的水冰不同，这种水合物在月球高维度地区（嫦娥5号采样点）非常稳定。这意味着，即使在广阔的月球阳光照射区，也可能存在这种稳定的水合盐，为月球资源的利用和探索提供了更为广阔的前景。月球表面水合矿物的发现标志着对月球水和铵研究的重大突破，也为未来月球资源的开发和利用提供了新的可能性。

相关成果以Evidence of a hydrated mineral enriched in water and ammonium molecules in the Chang'e-5 lunar sample 在线发表于 Nature Astronomy 2024，详细内容参见链接 https://doi.org/10.1038/s41550-024-02306-8，金士锋副研究员和郝木难为共同第一作者，陈小龙研究员为通讯作者。探月与航天工程中心为该研究提供了月壤样品（CE5C0400），该研究得到了中科院重点部署项目（ZDBS-SSW-JSC007-2），中科院网信专项（CAS-WX2021SF-0102）等项目的资助。

图1. ULM-1的照片和成分组成。a. CE5土壤样本的照片，b.ULM-1单晶照片，c. EDS光谱，d. EPMA光谱，e.拉曼光谱，f. IR光谱。

图2.ULM-1的晶体结构和电荷密度。

图3.不同地球和地外行星物质中氯同位素的分布。

图4.ULM-1结晶对月球火山气体中水逸度的限制。

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