重大突破！陸科學家首度在月壤中發現「分子水」

大陸科學家在月壤中首次發現分子水。（中國航天科技集團）

中國科學院物理研究所23日透露，中國科研人員近日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。這一發現標誌着首次在月壤中未知礦物晶體ULM-1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。

中國科學院物理研究文章稱，月球上是否存在水對於月球演化和資源開發至關重要，並引發了學術界長達半個多世紀的研究探索。對1969年-1972年採集的阿波羅樣品的研究表明，月壤中未發現任何含水礦物。

此後，月球不含水成爲月球科學的基本假設，對於認識月球火山演化，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，認爲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／或水分子訊號。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。針對當年採集的阿波羅月球樣品，人們近年來運用高靈敏度的表徵技術，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。

中國嫦娥5號採集的月壤樣品屬於最年輕的玄武岩（~20億年），並且是迄今爲止緯度最高的月球樣品，爲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雲麒研究員，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。這一發現標誌着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。

基於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爲(NH4,K,Cs,Rb) MgCl3·6H2O的水合礦物形式出現。該礦物分子式中含有多達六個結晶水，水分子在樣品中的品質比高達41％。在紅外和拉曼光譜上，均可以清晰地觀察到源於水分子和銨的特徵振動峰。晶體的電荷密度可以清晰地看到水分子中的氫。

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，該礦物是由熱玄武岩與富含水和氨的火山氣體相互作用形成，這一發現爲月球上的水和氨的來源提供了新的線索。

爲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。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爲這種水合物的來源。該六水礦物的存在對於月球火山氣體的組成給出重要的約束。

基於熱力學分析，當時月球火山氣體中水的含量下限與目前地球中最爲乾燥的Lengai火山相當，這對於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複雜的月球火山脫氣歷史。

這種水合礦物的發現還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號採樣點）非常穩定。這意味着，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，爲月球資源的利用和探索提供了更爲廣闊的前景。月球表面水合礦物的發現標誌着對月球水和銨研究的重大突破，也爲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〉爲題 線上發表於《Nature Astronomy 2024》，金士鋒副研究員和郝木難爲共同第一作者，陳小龍研究員爲通訊作者。探月與航太工程中心爲該研究提供月壤樣品（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）等專案資助。