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| 2024年7月23日中國科學家在月壤中首次發現分子水：礦物晶體ULM-1 |
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歷史上的今天
欄目：重大事件
發布時間：2024-07-23
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2024年7月23日發生的重大事件：
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摘要：2024年7月23日(農歷2024年6月18日)，重大發現！我國科學家在月壤中首次發現分子水。
我國科學家在月壤中首次發現分子水。
北京時間2024年7月23日，中國科學院物理研究所官網2024年07月19日發布消息，內容如下：
月壤中發現富含水分子的礦物
月球上是否存在水對于月球演化和資源開發至關重要，并引發了學術界長達半個多世紀的…
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2024年7月23日(農歷2024年6月18日)，重大發現！我國科學家在月壤中首次發現分子水。
我國科學家在月壤中首次發現分子水。
北京時間2024年7月23日，中國科學院物理研究所官網2024年07月19日發布消息，內容如下：
月壤中發現富含水分子的礦物
月球上是否存在水對于月球演化和資源開發至關重要，并引發了學術界長達半個多世紀的研究探索。對1969年-1972年采集的阿波羅樣品的研究表明，月壤中未發現任何含水礦物。此后，月球不含水成為月球科學的基本假設，對于認識月球火山演化，月地起源等問題產生了重大影響。直到1994年，“克萊門汀”探測器對月球兩極進行觀測，認為極區永久陰影區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現月球表面存在太陽風導致的羥基（OH-）和/或水分子信號。同年，“月球觀測和傳感衛星”（LCROSS）以2.5公里/秒的速度撞擊了月球永久陰影區，對撞擊塵埃的遙感測量顯示了水的信號。最近，遙感數據表明月球光照區也有水分子存在的跡象。針對當年采集的阿波羅月球樣品，人們近年來運用高靈敏度的表征技術，在部分玻璃和礦物中發現了PPM（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。
我國嫦娥5號采集的月壤樣品屬于最年輕的玄武巖（~20億年），并且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的機遇。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心陳小龍研究員，金士鋒副研究員、博士生郝木難等與北京科技大學郭中楠副教授，天津大學殷博昊工程師，中國科學院青海鹽湖所馬云麒研究員，鄭州大學鄧麗君工程師等合作，在嫦娥五號帶回的月球樣本中，發現了月球上一種富含水分子和銨的未知礦物晶體：ULM-1（圖1）。這一發現標志著首次在月壤中發現了分子水，同時揭示了水分子和銨在月球上的真實存在形式。
基于單晶衍射和化學分析，研究人員發現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（圖1）。該礦物分子式中含有多達六個結晶水，水分子在樣品中的質量比高達41%（圖2）。在紅外和拉曼光譜上，均可以清晰地觀察到源于水分子和銨的特征振動峰（圖1）。晶體的電荷密度可以清晰地看到水分子中的氫（圖2）。ULM-1的晶體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。在地球上，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，這一發現為月球上的水和氨的來源提供了新的線索。
為了確保這一發現的準確性，研究人員進行了嚴格的化學和氯同位素（37Cl/35Cl）分析。納米二次離子質譜（NanoSIMS）數據表明，該礦物的Cl同位素組成和地球礦物顯著不同，其δ37Cl值高達24‰，與月球上的礦物相符（圖3）。對該礦物化學成分和形成條件的分析，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。該六水礦物的存在對于月球火山氣體的組成給出重要的約束。基于熱力學分析，當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Lengai火山相當（圖4），這對于我們理解月球的演化過程具有重要意義。這些發現揭示了一個復雜的月球火山脫氣歷史。
這種水合礦物的發現還為我們揭示了月球上水分子可能存在的一種形式——水合鹽。與易揮發的水冰不同，這種水合物在月球高維度地區（嫦娥5號采樣點）非常穩定。這意味著，即使在廣闊的月球陽光照射區，也可能存在這種穩定的水合鹽，為月球資源的利用和探索提供了更為廣闊的前景。月球表面水合礦物的發現標志著對月球水和銨研究的重大突破，也為未來月球資源的開發和利用提供了新的可能性。
相關成果以“Evidence of a hydrated mineral enriched in water and ammonium molecules in the Chang'e-5 lunar sample”為題在線發表于Nature Astronomy 2024，詳細內容參見鏈接https://doi.org/10.1038/s41550-024-02306-8，金士鋒副研究員和郝木難為共同第一作者，陳小龍研究員為通訊作者。探月與航天工程中心為該研究提供了月壤樣品（CE5C0400），該研究得到了中國科學院重點部署項目（ZDBS-SSW-JSC007-2），中國科學院網信專項（CAS-WX2021SF-0102）等項目的資助。
圖1.ULM-1的照片和成分組成。a.CE5土壤樣本的照片，b.ULM-1單晶照片，c.EDS光譜，d.EPMA光譜，e.拉曼光譜，f.IR光譜。
圖2.ULM-1的晶體結構和電荷密度。
圖3.不同地球和地外行星物質中氯同位素的分布。
圖4.ULM-1結晶對月球火山氣體中水逸度的限制。
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