使用新技术通过原子分析月球岩石

1972年，阿波罗17号宇航员和地质学家哈里森·施密特（Harrison Schmitt）收集了月球土壤样品，这些样品后来将用于本研究。

早在1972年，美国国家航空航天局就将他们的最后一批宇航员送往了阿波罗17号任务中的月球。这些宇航员将一些月球带回了地球，以便科学家们可以继续在他们的实验室中研究月球土壤。由于我们已经有近50年没有返回月球了，所以每个月球样本都是宝贵的。我们需要让他们现在和将来都值得研究人员重视。在《气象与行星科学》的一项新研究中，科学家发现了一种使用单颗粒尘埃来分析月球土壤化学性质的新方法。他们的技术可以帮助我们更多地了解月球表面的状况以及在那里形成水和氦等珍贵资源的情况。

该论文的第一作者，博士学位的詹妮卡·格里尔（Jennika Greer）说：“我们正在逐个原子地分析太空中的岩石。”菲尔德博物馆和芝加哥大学的学生。这是第一次对月球样本进行这样的研究。我们正在使用许多地质学家甚至都没有听说过的技术。

阿波罗17号带回的一小块月球土壤在扫描电子显微镜下放大了。

“我们可以将这种技术应用于没有人研究过的样品，”菲尔德博物馆的策展人，芝加哥大学副教授，论文的合著者菲利普·赫克（Philipp Heck）补充道。“几乎可以保证您找到新的东西或意外的东西。这项技术具有很高的灵敏度和分辨率，您会发现其他情况无法找到的东西，而只用掉一小部分样品。”

该技术称为原子探针层析成像（APT），通常由致力于改善工业流程（例如制造钢和纳米线）的材料科学家使用。但是它具有分析少量物质的能力，使其成为研究月球样品的理想人选。阿波罗17号的样本包含111千克（245磅）的月球岩石和土壤，这是事物的宏大计划，不是很多，因此研究人员必须明智地使用它。格里尔（Greer）的分析只需要一粒土壤，大约和人类的头发一样宽。她用那微小的颗粒识别出空间风化，纯铁，水和氦气的产物，这些产物是通过月球土壤与空间环境的相互作用而形成的。从月球土壤中提取这些宝贵的资源可以帮助未来的宇航员维持其在月球上的活动。

为了研究细小晶粒，格里尔使用聚焦的带电原子束将细小，超锐利的尖端刻入其表面。该笔尖只有几百个原子宽–为了比较，一张纸有几十万个原子厚。菲利普·赫克（Philipp Heck）说：“我们可以使用表达纳米果皮的方式。”“就像木匠塑造木材一样，我们也将纳米级加工成矿物质。”

一旦样品进入西北大学的原子探针内部，格里尔就会用激光将其打碎，以将原子逐一敲除。当原子从样品上飞出时，它们撞击了检测器板。较重的元素（如铁）比较轻的元素（如氢）需要更长的时间才能到达检测器。通过测量激光发射和原子撞击检测器之间的时间，仪器可以确定该位置原子的类型及其电荷。最后，Greer使用每个原子和分子的颜色编码点在三个维度上重建了数据，以绘制出月球尘埃的纳米级3D地图。

一小块锐利的月亮尘粒，只有几百个原子宽。

这是科学家们首次在月球土壤中看到原子的类型及其确切位置。尽管APT是材料科学领域的一项众所周知的技术，但之前从未有人尝试将其用于月球样品。Greer和Heck鼓励其他宇宙化学家尝试一下。“这对于全面鉴定少量珍贵样品非常有用，” Greer说。“我们有像Hayabusa2和OSIRIS-REx这样的真正令人兴奋的任务即将重返地球，这是由无人驾驶的太空飞船收集微小的小行星组成的。绝对应该将这种技术应用于他们带回来的东西，因为它使用的材料很少，但提供的信息却很多。”

通过研究月球表面的土壤，科学家可以洞悉我们太阳系中的重要力量：太空风化。太空是一个苛刻的环境，有微小的陨石，来自太阳的粒子流以及太阳和宇宙射线形式的辐射。虽然地球的大气层可以保护我们免受太空风化的侵害，但月球和小行星等其他物体却没有大气层。结果，月球表面的土壤经历了由太空风化引起的变化，使其与月球其余部分组成的岩石有了根本的不同。有点像蘸巧克力的冰淇淋：外表面与内部不匹配。借助APT，科学家们可以以其他方法无法找到的方式来寻找太空风化表面与未暴露的月球污垢之间的差异。通过了解导致这些差异发生的过程的类型，它们可以更准确地预测距离地球和卫星太近的卫星和小行星表面下的东西。

由于格里尔（Greer）的研究使用的是纳米大小的尖端，因此她原来的月尘颗粒仍可用于以后的实验。这意味着新一代科学家可以从相同的宝贵样本中做出新的发现和预测。赫克说：“五十年前，没有人想到有人会使用这种技术来分析样品，而只使用一点点的颗粒。”“成千上万的此类谷物可能放在宇航员的手套上，对于进行大规模研究而言，这将是足够的材料。”

格里尔和赫克强调，由于外太空的地形多样，宇航员需要带回实物样本进行飞行任务。格里尔说：“如果仅从一个月球的一个位置分析太空风化，就好像只在一个山脉上分析地球的风化一样。”我们需要去其他地方和物体，以了解地球风化的方式，就像检查地球上不同的地方一样，例如沙漠中的沙子和地球上的山脉露头。

我们尚不知道太空风化会给我们带来什么惊喜。“在实验室中了解这些材料很重要，这样我们才能了解通过望远镜观察时看到的东西，”格里尔说。“由于这样的事情，我们了解了月球上的环境。它远远超出了宇航员在月球上行走时所能告诉我们的信息。这种小粒谷物保留了数百万年的历史。

这项研究的结果说服美国国家航空航天局在未来三年内资助菲尔德博物馆和西北大学团队以及普渡大学的同事们使用APT研究不同类型的月尘，以量化其水含量并研究太空风化的其他方面。

参考：苏里亚（Surya）的詹妮卡·格里尔（Jennika Greer），“太空风化的月钛铁矿晶粒表面的原子探针层析成像”。S.Rout，Dieter Isheim，David N.Seidman，Rainer Wieler和Philipp R.Heck，2020年2月6日，气象学和行星科学.DOI：
10.1111 / maps.13443

这项工作的资金由TAWANI基金会，美国国家科学基金会，海军研究办公室，西北大学和菲尔德博物馆的科学与奖学金资助委员会提供。