中心助力嫦娥五号月壤研究发现新矿物

近日，广东工业大学联合中国科学院地球化学研究所和澳门科技大学，揭示了月球表面太空风化可形成具有光催化特性的Ti纳米矿物，研究成果“Unusual Ti minerals on the Moon produced by space weathering”发表于国际权威期刊《自然·天文学》(Nature Astronomy)。这是月球地质、月表空间环境、TEM分析技术开展交叉研究的成果。分析测试中心微区分析室吴焱学老师为共同一作，共同发现了嫦娥五号月壤中微陨石撞击成因的金红石（TiO2）、三方结构Ti2O（Trigonal-Ti2O）和三斜结构Ti2O（Triclinic-Ti2O）3种Ti纳米矿物，并提供了TEM分析技术及数据分析。其中，三方Ti2O和三斜Ti2O两种物相之前尚未在天然地质样品中被发现（第七、第八种月球新矿物）。

图1 嫦娥五号月壤中发现的金红石（TiO2）、三方结构Ti2O（Trigonal-Ti2O）

和三斜结构Ti2O（Triclinic-Ti2O）3种Ti纳米矿物

太空风化是月球及太阳系其它无大气天体表面的改造过程之一，包括微陨石轰击、太阳风离子注入、高能宇宙射线作用等，其中月球表面的微陨石轰击环境具有：粒径小（~1–200µm）、速度快（>15–20km/s）、通量大（~500–2000t/y）等特点。高速微陨石轰击月壤可通过高温熔融、破碎、气化、沉积、胶结等机制改造月壤的物质组成、成分、光谱、物理性质等。由于月表物质组成多样、微陨石轰击过程复杂、轰击产物不稳定等多因素的耦合影响，关于月球表面微陨石轰击的改造机制及其效应（如：月壤中过度金属Ti元素受到微陨石轰击引起的物相、价态、同位素组成、月壤特性等变化机理）认识不完善、甚至存在争议。

图2 月壤微陨石撞击坑中的Ti纳米矿物（左图为假彩色图，蓝色区域为撞击溅射物）

通过对嫦娥五号月壤颗粒开展研究，在月壤玻璃珠表面微陨石撞击坑中发现一系列含Ti的蒸发沉积颗粒，TEM分析结果显示这些含Ti颗粒为金红石（TiO2）、三方结构Ti2O（Trigonal-Ti2O）和三斜结构Ti2O（Triclinic-Ti2O）3种Ti纳米矿物（图1）。其中，三方Ti2O和三斜Ti2O两种物相之前尚未在天然地质样品中被发现，而在材料学领域，Ti2O是一种可在实验室内制备的光催化薄膜材料。研究揭示了月壤中这些Ti纳米矿物的成因过程：高速微陨石轰击月表钛铁矿颗粒，形成Fe、Ti、O等的复杂离子环境，随后Ti4+和Ti1+与O2-结合形成纳米级的（<300μm）金红石（TiO2）、三方Ti2O和三斜Ti2O颗粒。

图3 月壤中Ti纳米矿物的微陨石轰击成因过程示意图

研究结果完善了对月球表面太空风化过程的认识，也为理解太阳系其他无大气天体（水星、小行星等）表面的空间风化过程提供线索，主要科学意义包括：

（1）新发现：发现天然产出的三方Ti2O和三斜Ti2O两种纳米新矿物相，这是月球样品中发现的第七、第八种月球新矿物。

（2）新证据：获得月球表面微陨石轰击对Ti氧化物（钛铁矿等）改造过程及效应的矿物学证据，发现的Ti纳米矿物为之前未识别（或被忽略）的太空风化产物，完善了我们月球表面太空风化作用过程的理解。

（3）新观点：由于金红石（TiO2）和Ti2O是有效的天然光催化物质，所以研究提出了太空风化（微陨石撞击）可以改变月壤光催化特性的新观点，也提出具有光催化特性的金红石（TiO2）和Ti2O存在可能会影响太阳系无大气天体（碳质小行星等）表面有机质的保存。（来源：中国科学院地球化学研究所，澳科大MUST）

图4 月球返回样品中相继发现的新矿物相（本研究报道了第七、第八种月球新矿物）

论文信息：Zeng, X. (曾小家)#, Wu, Y. (吴焱学)#, Yu, W. (于雯), Bing Mo (莫冰), Wen, Y. (文愿运), Zhao, X. (赵小媚), Li, X. (李雄耀)*, Zhang, X. (张小平)*, Liu, J. (刘建忠)* (2024).Unusual Ti minerals on the Moon produced by space weathering. Nature Astronomy. https://doi.org/10.1038/s41550-024-02229-4

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41550-024-02229-4

附：分析测试中心微区分析室简介

微区分析室位于科技北楼一楼，目前拥有双球差校正透射电子显微镜、场发射透射电子显微镜、场发射扫描电子显微镜、原位聚焦离子束场发射扫描电子显微镜、多功能离子减薄仪、超薄切片机、全新精研一体机等10余台电镜相关科研仪器设备总资产约8000万元人民币。电子显微镜在金属材料、半导体材料、高分子材料、陶瓷材料、纳米材料等领域都有着极其广泛的应用。

微区分析室解决了样品制备与测试无法同步进行的问题，真正意义上做到“一站式服务”；样品制备完成后可直接电镜观察，极大降低了师生的时间成本。其中，Spectra 300配备STEM、EDX,、EELS等多种附件，可采集TEM明场、暗场像和高分辨像，进行选区电子衍射和汇聚束衍射，可在STEM模式下进行EDX、EELS能谱分析和STEM原子像的分析；FEl Talos F200S 融合了出色的高分辨率扫描/透射电子显微镜(STEM)和TEM成像功能，在STEM成像上具有极大的多功能性和极高的通量。Hitachi HT7800 120 kV透射电子显微镜具有低剂量电子束照射、CMOS相机，有利于电子束辐照易损伤样品的观察和研究。Tescan LYRA 3 XMU、Zeiss Crossbeam 350具备优异的离子成像分辨率，实现微小架构精确加工，尤其适合进行特定区域TEM薄片制备，并配备了电子背散射衍射仪和原位拉伸加热台，可以在常温及高温下进行成分、晶体结构分析。Hitachi SU8220冷场扫描电镜采用全新设计的冷场发射电子枪，束流更大更稳定，高分辨观察和分析兼顾，配备大面积SDD平插式能谱探头，可快速进行元素面分布，也可对束流敏感和非导电样品，表面不平整样品，低X射线产额样品等进行分析。同时，各电镜都备有高性能X射线能谱仪，能同时进行点、线、面元素的定性、半定量及定量分析。

从机械精密切割抛磨到离子束原位加工切片，从宏观尺度观测到纳米范围测量，从表面形貌观察到原子结构成分分析，微区分析室可提供全套的电子显微镜制样和测试服务。目前微区分析室有七名专业仪器管理人员，具有博士或硕士学位，每年支撑学校发表SCI论文300余篇。