来自月球的康乃馨:国科大师生取得月壤研究新进展

  • 文字/纪灿雄 吕笑天 图片/受访者提供 (党委宣传部/新闻中心)
  • 创建于 2022-09-10
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编者按:日前,国科大博士生导师、中科院宁波材料所研究员王军强带领团队取得月壤研究相关成果。论文中有一幅月壤插图,很像康乃馨,这是王军强特意挑选的。中秋遇上教师节,一起看这群师生和一朵“月壤康乃馨”的双重浪漫。

  “有趣的是,在撰写论文时,王老师特意选择了一颗形似花朵的月壤样品作为插图,配文‘来自月球的康乃馨’,严谨却不失科研浪漫。”国科大2019级硕转博研究生李傲谈及导师王军强时说。

扫描电镜的元素面扫图(图示a)中,一颗形似康乃馨的月壤钛铁矿颗粒(“花托”)和共生的胶结物质(“花冠”)

  王军强,国科大博士生导师、中科院宁波材料所研究员,带领着一支年轻科研团队——非晶合金磁电功能特性研究团队。老师都是80后,学生有20余名。

  李傲提到的“来自月球的‘康乃馨’”,实际上是团队从月壤中挑选出的一颗钛铁矿及其共生的胶结物质。在扫描电镜的元素面扫图中,绿色(铁、钛、氧元素)的钛铁矿和粉紫色(钙、铝等元素)的胶结物质,形似康乃馨。这背后,蕴含着丰富能源资源。

王军强(后排戴蓝色手套者)手捧着月壤样品与团队合影

  2021年10月,中科院宁波材料所作为中国空间技术研究院的联合研究单位,正式接收了1.0013克“嫦娥五号”返回器带回的月壤样品。知道月壤来之不易,团队在接收后,精心安排了详细的实验设计,开始寻找月壤中氦-3的提取方法。“王老师专门成立了月壤研究小组,每周定期开讨论会。在一次次的小组讨论中,大家各抒己见,最终敲定了若干研究课题。”交流过程中,李傲感慨于导师王军强的细致。

  团队的主要研究方向是非晶态金属及其他玻璃材料的功能特性研究,在月壤方面,则聚焦于其非晶玻璃的物性研究。由于月壤样品取自月球表层,组成颗粒都在微米甚至纳米尺寸,团队必须使用特制手套箱,极细心和耐心取用月壤样品,从中寻找非晶玻璃。 

  “我还记得第一次在月壤中观察到氦泡时,由于设备调试耗费了大量时间,整个实验初步结束时已经是深夜。”李傲在月壤研究中,主要负责月壤颗粒分选和氦原子探测,通过团队自主搭建的高温核磁共振平台,研究月壤3D打印。

李傲在实验(右)

  通力合作下,团队成功发现月壤中的钛铁矿颗粒表面在太阳风的辐照下能形成一层非晶玻璃,其中存储了大量氦-3气体。

  团队认为,玻璃态材料具有特殊的无序原子堆积结构和极高的稳定性,能够抑制氦原子的溢出和释放,从而将氦原子捕获并存储起来,比如玻璃态琥珀可以将生物标本保存上亿年、氧化物玻璃可以将核废料储存上千年。

  所以,月壤钛铁矿颗粒表面中发现的非晶玻璃也具有极高的稳定性,在月球上捕获并存储了大量氦-3气体。根据估算,月球上的氦-3如果全部用于核聚变,可满足全球2600年的能源需求。这为开发以氦-3为燃料的可控核聚变提供了可能性,也为未来原位3D打印月壤、建立月球基地奠定理论基础。相关成果以“Taking advantage of glass: Capturing and retaining of the helium gas on the moon”为题发表于Materials Futures。李傲为共同第一作者之一,王军强为共同通讯作者之一。


李傲在处理研究数据

  “得益于国科大的科教融合,我能够参加国家级科研任务并产出成果。在研究中,我也明白了团队协作的价值,非常具有荣誉感和成就感。”李傲说。

  他还回忆道,“实验期间,王老师刚作完手术不久,身体还未完全康复,但依然和我们一起坚持到底。他的敬业、担当和对关键科学问题的敏感,值得我们每个科研新人学习。”

  王军强的坚持,在国科大(培养单位为中科院物理所)读博期间就“显现”出来了。由于经常长时间努力做实验,导师说他是实验开销最多的学生,但导师并不是抱怨,而是温和地开着“玩笑”。最后,在导师指导下,王军强获得了关键性成果。


王军强在月壤物性研究实验室设备前

  在李傲眼中,王军强也是位温文尔雅的谦谦君子,对学生有着强烈的责任心。“大到实验思路,小到文章撰写与修改,王老师都会尽心指导。即使犯错,他也只会温和地告诉我们,如何做得更好。”李傲说。

  当学生没有取得预期成果沮丧时,王军强总会告诉他们,“不要太过心急,不要急于放弃。每个人就像花圃中不同品种的花,有着不同的花期。有的人‘花期’很早,但有的人‘花期’很晚。所以没有成果时,更要沉住气,慢慢积累,终有一天会迎来属于自己的‘花期’。”王军强的话,一直记在李傲心里。

团队合影

  正如无数实验后绽放的“月壤康乃馨”,李傲和队员克服困阻,不断寻找理想数据,发现了非晶物质在月壤中的妙用,终于迎来了属于自己的“花期”。

  为了让“花期”更盛更长久,“我要更加努力地积累知识、磨练技能,构建属于自己的知识框架,争取早日为国家科技发展奉献力量。”

  李傲谨记着王军强的指导,奔赴在更远的科研道路上。

责任编辑:脱畅