中青報·中青網記者 蔣雨彤　　

年輕的科研團隊合影，後(hòu)排居中戴藍色手套者，手中捧著(zhe)月壤樣(yàng)品。中科院甯波材料所供圖

　　月壤安安靜靜地“躺”在一個小小的玻璃瓶裡(lǐ)，被(bèi)一個特殊的真空罩罩起(qǐ)來。那麼(me)小小一團，甚至沒(méi)有鋪滿小玻璃瓶的瓶底，重量僅有1克，看上去“有點兒像一團灰”“毫不起(qǐ)眼”的月壤，卻可能(néng)會改變整個地球未來的能(néng)源走向(xiàng)。

　　嫦娥五号從月球帶回的月壤，被(bèi)分給一些科研機構做研究。中科院甯波材料所作爲中國(guó)空間技術研究院的聯合研究單位，借用了1克月壤，他們的研究，就是尋找月壤中氦-3的提取方法。

　　近日，中科院甯波材料所、航天五院錢學(xué)森實驗室、中科院物理所和南京大學(xué)等聯合團隊，在學(xué)術期刊《材料未來》（Materials Futures）上發(fā)表論文，宣布發(fā)現月壤中钛鐵礦顆粒表面(miàn)都(dōu)存在一層非晶玻璃。玻璃态材料特殊的無序原子堆積結構具有極高的穩定性，比如玻璃态琥珀可以將(jiāng)生物标本保存上億年、氧化物玻璃可以將(jiāng)核廢料儲存上千年。這(zhè)項工作表明钛鐵礦玻璃也具有極高的穩定性，在月球上捕獲并保存了豐富的氦-3資源。

　　氦-3作爲氦（元素周期表中第二個元素）的一種(zhǒng)同位素，在能(néng)源、科學(xué)研究和國(guó)防安全等領域具有重要應用價值。比如，作爲一種(zhǒng)可控核聚變的燃料，氦-3核聚變産生的能(néng)量是開(kāi)采所需能(néng)量的250倍，是鈾-235核裂變反應（約爲20）的12.5倍。100噸氦-3核聚變産生的能(néng)量即可供應全球使用1年，且氦-3核聚變過(guò)程無中子二次輻射危險，更加清潔和可控。另外，氦-3是獲得極低溫環境的關鍵制冷劑，是超導、量子計算、拓撲絕緣體等前沿研究領域的必需物質。然而，地球上氦元素主要是氦-4，氦-3儲量隻有0.5噸左右，遠遠無法滿足現有需求。

　　在地球上稀缺的氦-3，在月球上卻是儲量驚人。因爲氦-3是太陽風的重要成(chéng)分，月球常年受太陽風的輻照，儲存了大量氦-3。探索月球資源，特别是氦-3的含量、分布和開(kāi)采，已經(jīng)成(chéng)爲當前國(guó)際深空探測的必然趨勢和主要任務。因此，從20世紀末開(kāi)始，科技界掀起(qǐ)了新一輪的月球“淘金熱”，使探月工程和科學(xué)研究達到新的高潮。但是如何原位、高效開(kāi)采氦-3還(hái)是科學(xué)和技術難題。

　　以往研究認爲，氦-3溶解在月壤顆粒中，提取氦-3受擴散速率限制，需要700℃以上的高溫，不但耗能(néng)較高，而且速度慢，不利于在月球上原位開(kāi)采。因此，探明月壤中氦-3的儲藏形式，對(duì)未來認識月球是如何捕獲氦-3，如何開(kāi)發(fā)利用氦-3資源至關重要。

　　這(zhè)次，中國(guó)研究人員通過(guò)高分辨透射電鏡結合電子能(néng)量損失譜法，在玻璃層中觀測到了大量的氦氣泡，直徑大約爲5-25納米（1毫米等于1000微米，1微米等于1000納米——記者注），且大部分氣泡都(dōu)位于玻璃層與晶體的界面(miàn)附近。而在顆粒内部晶體中，基本沒(méi)有氦氣泡。

　　鑒于氦在钛鐵礦中的高溶解度，研究人員認爲氦原子首先由太陽風注入钛鐵礦晶格中，之後(hòu)在晶格的溝道(dào)擴散效應下，氦會逐漸釋放出來。而表層玻璃具有原子無序堆積結構，限制了氦原子的釋放，氦原子被(bèi)捕獲并逐漸儲存起(qǐ)來，形成(chéng)了氣泡。

　　研究表明，通過(guò)機械破碎方法有望在常溫下提取以氣泡形式儲存的氦-3，不需要加熱至高溫。而且，钛鐵礦具有弱磁性，可以通過(guò)磁篩選與其他月壤顆粒分開(kāi)，便于在月球上原位開(kāi)采。根據估算，月球上的氦-3如果全部用于核聚變，可以滿足全球2600年的能(néng)源需求。

　　中青報·中青網記者采訪得知，中科院甯波材料所的這(zhè)個研究團隊，是一支年輕的科研團隊。12位老師都(dōu)是80後(hòu)，學(xué)生有20人左右。團隊負責人王軍強研究員說，興趣和堅持是科研成(chéng)功之路的關鍵。

　　王軍強大學(xué)畢業時，決定考取中科院物理所的研究生，這(zhè)是中國(guó)物理研究水平最高的地方之一。王軍強讀博期間，經(jīng)常做通宵實驗，所以第一年下來，導師說他是實驗花銷最多的學(xué)生，但導師并不是在抱怨，而是以一種(zhǒng)愉悅的口氣在跟他說。這(zhè)次，爲了完成(chéng)月壤研究任務，團隊也是經(jīng)常通宵做實驗和分析數據。最終，功夫不負有心人，他們獲得了一些關鍵性的成(chéng)果。

　　因爲僅有1克月壤，每一次實驗都(dōu)要精心設計和計算。研究者要使用特制的手套箱來實現月壤樣(yàng)品的取用，“從那一小團灰裡(lǐ)來取一點點小顆粒”，要經(jīng)過(guò)大量篩選，才能(néng)找到成(chéng)功的樣(yàng)品。目前團隊在研究過(guò)程中，也正在利用自主研制的具有國(guó)際領先水平的超高溫核磁共振設備，研究高溫下月壤樣(yàng)品的玻璃轉變和相變，爲未來原位3D打印月壤，建立月球基地奠定基礎。

　　研究工作有時候是很難看到明晰的方向(xiàng)或者結果的，許多颠覆性的、創新的研究，需要等上幾年甚至幾十年才能(néng)發(fā)揮作用。

　　“研究工作很有挑戰性，幸運的是我們走上了一條成(chéng)功的路。”團隊成(chéng)員、中科院甯波材料所副研究員許巍說。

　　（原文發(fā)布于2022年07月11日《中國(guó)青年報》第8版）

　　【原文鏈接】http://zqb.cyol.com/html/2022-07/11/nw.D110000zgqnb_20220711_2-08.htm