重大突破！陆科学家首度在月壤中发现「分子水」

大陆科学家在月壤中首次发现分子水。（中国航天科技集团）

中国科学院物理研究所23日透露，中国科研人员近日在嫦娥五号带回的月球样本中，发现了月球上一种富含水分子和铵的未知矿物晶体--ULM-1。这一发现标志着首次在月壤中未知矿物晶体ULM-1发现了分子水，同时揭示了水分子和铵在月球上的真实存在形式。

中国科学院物理研究文章称，月球上是否存在水对于月球演化和资源开发至关重要，并引发了学术界长达半个多世纪的研究探索。对1969年-1972年采集的阿波罗样品的研究表明，月壤中未发现任何含水矿物。

此后，月球不含水成为月球科学的基本假设，对于认识月球火山演化，月地起源等问题产生了重大影响。直到1994年，「克莱门汀」探测器对月球两极进行观测，认为极区永久阴影区的月壤中可能存在水冰。

2009年，「月船一号」搭载的月球矿物绘图光谱仪发现月球表面存在太阳风导致的羟基（OH-）和／或水分子讯号。同年，「月球观测和传感卫星」（LCROSS）以2.5公里／秒的速度撞击了月球永久阴影区，对撞击尘埃的遥感测量显示了水的信号。

最近，遥感数据表明月球光照区也有水分子存在的迹象。针对当年采集的阿波罗月球样品，人们近年来运用高灵敏度的表征技术，在部分玻璃和矿物中发现了PPM（百万分之一）量级的「水」（H＋，OH-或H2O），但没有水分子存在的确凿证据。

中国嫦娥5号采集的月壤样品属于最年轻的玄武岩（~20亿年），并且是迄今为止纬度最高的月球样品，为月球水的研究提供了新的机遇。

中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家研究中心陈小龙研究员，金士锋副研究员、博士生郝木难等与北京科技大学郭中楠副教授，天津大学殷博昊工程师，中国科学院青海盐湖所马云麒研究员，郑州大学邓丽君工程师等合作，在嫦娥五号带回的月球样本中，发现了月球上一种富含水分子和铵的未知矿物晶体：ULM-1。这一发现标志着首次在月壤中发现了分子水，同时揭示了水分子和铵在月球上的真实存在形式。

基於单晶衍射和化学分析，研究人员发现这些月球水和铵以一种成分为(NH4,K,Cs,Rb) MgCl3·6H2O的水合矿物形式出现。该矿物分子式中含有多达六个结晶水，水分子在样品中的品质比高达41％。在红外和拉曼光谱上，均可以清晰地观察到源于水分子和铵的特征振动峰。晶体的电荷密度可以清晰地看到水分子中的氢。

ULM-1的晶体结构和组成与地球上近年来发现的一种稀有火山口矿物相似。在地球上，该矿物是由热玄武岩与富含水和氨的火山气体相互作用形成，这一发现为月球上的水和氨的来源提供了新的线索。

为了确保这一发现的准确性，研究人员进行了严格的化学和氯同位素（37Cl／35Cl）分析。纳米二次离子质谱（NanoSIMS）数据表明，该矿物的Cl同位素组成和地球矿物显著不同，其δ37Cl值高达24‰，与月球上的矿物相符。对该矿物化学成分和形成条件的分析，进一步排除了地球污染或火箭尾气作为这种水合物的来源。该六水矿物的存在对于月球火山气体的组成给出重要的约束。

基于热力学分析，当时月球火山气体中水的含量下限与目前地球中最为干燥的Lengai火山相当，这对于我们理解月球的演化过程具有重要意义。这些发现揭示了一个复杂的月球火山脱气历史。

这种水合矿物的发现还揭示了月球上水分子可能存在的一种形式--水合盐。与易挥发的水冰不同，这种水合物在月球高维度地区（嫦娥5号采样点）非常稳定。这意味着，即使在广阔的月球阳光照射区，也可能存在这种稳定的水合盐，为月球资源的利用和探索提供了更为广阔的前景。月球表面水合矿物的发现标志着对月球水和铵研究的重大突破，也为未来月球资源的开发和利用提供了新的可能性。

相关成果以〈Evidence of a hydrated mineral enriched in water and ammonium molecules in the Chang'e-5 lunar sample〉为题 线上发表于《Nature Astronomy 2024》，金士锋副研究员和郝木难为共同第一作者，陈小龙研究员为通讯作者。探月与航太工程中心为该研究提供月壤样品（CE5C0400），该研究得到了中国科学院重点部署项目（ZDBS-SSW-JSC007-2），中国科学院网信专项（CAS-WX2021SF-0102）等专案资助。