當(dāng)我們提到玻璃時，通常想到的是漂亮的落地窗、多彩的玻璃工藝品和隨處可見的電子屏幕等。其實，玻璃不僅是重要的人造材料，更是自然界中普遍存在的天然物質(zhì)。即使是在荒涼貧瘠的月球表面，仍然存在著由火山噴發(fā)、地質(zhì)運(yùn)動、隕石撞擊等活動產(chǎn)生的豐富的玻璃物質(zhì)。許多月球玻璃可以穩(wěn)定存在億萬年，不僅可以像地球上的琥珀一樣保存古老的月球物質(zhì)，還記錄著其形成時的環(huán)境信息，就像一幀幀的攝影快照一樣記錄著月球億萬年間的重要歷史演化信息，是探索月球奧秘的重要材料。嫦娥五號實現(xiàn)了我國首次地外天體采樣，成功采集返回了迄今為止最高緯度、最為年輕的月壤樣品，為揭示月球起源與演化、認(rèn)識月球表面和空間環(huán)境、促進(jìn)月球資源原位利用等提供了絕佳機(jī)遇，也為地外玻璃物質(zhì)研究提供了寶貴樣本。
近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心汪衛(wèi)華院士帶領(lǐng)的非晶團(tuán)隊從玻璃這一獨特視角出發(fā)，對嫦娥五號月壤樣品開展了系統(tǒng)的物質(zhì)科學(xué)研究。團(tuán)隊白海洋研究員、沈來權(quán)副研究員、博士后趙睿、博士生常超和懷柔研究部肖東東副研究員等通過綜合分析月壤中玻璃/非晶物質(zhì)的形態(tài)、成分、微觀結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了多種類型、不同起源的月球玻璃物質(zhì)，構(gòu)建了月壤玻璃/非晶相的分類目錄，并從玻璃形成的角度揭示了采樣點月球表面的空間環(huán)境特征及其對月表物質(zhì)的改造作用。對月壤玻璃物質(zhì)的研究也為認(rèn)識月球的物質(zhì)組成、月表的時空演化奠定了基礎(chǔ)，同時為基于月壤資源原位加工制造玻璃材料和器件提供了科學(xué)依據(jù)。
研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)月球表面存在著固、液、氣多種轉(zhuǎn)變路徑的玻璃起源。月球表面頻繁遭受的隕石及微隕石撞擊導(dǎo)致的礦物熔化和快速冷卻產(chǎn)生了各種形態(tài)的玻璃物質(zhì)，包括旋轉(zhuǎn)形狀的玻璃珠（球狀、橢球狀、啞鈴狀等）、氣孔構(gòu)造的膠結(jié)質(zhì)、流體形態(tài)的濺射物等。這些撞擊起源的玻璃物質(zhì)記錄了月球表面從數(shù)千米到納米的多尺度撞擊事件，相關(guān)凝固玻璃的形態(tài)取決于撞擊溫度主導(dǎo)的玻璃形成液體的粘度，由此可反演隕石的撞擊強(qiáng)度。除了熔體冷卻玻璃，月壤顆粒表面還普遍存在著納米尺度的非晶層。精確的結(jié)構(gòu)和成分分析揭示這些納米非晶層具有兩種截然不同的起源：一種是太陽風(fēng)粒子注入誘導(dǎo)的輻照損傷作用，將晶態(tài)固體轉(zhuǎn)化成了玻璃態(tài)；一種是高速隕石撞擊導(dǎo)致的熱蒸發(fā)沉積作用，在礦物顆粒表面氣相沉積形成非晶薄膜。本研究發(fā)現(xiàn)的廣泛分布的氣相沉積非晶層澄清了目前關(guān)于嫦娥五號月壤顆粒表面是否存在沉積層的爭議。這些熔體冷卻、氣相沉積和離子輻照起源的玻璃物質(zhì)再現(xiàn)了月球表面與空間環(huán)境的相互作用，對理解月壤的形成與演化具有重要意義。
值得注意的是，嫦娥五號月壤中的玻璃物質(zhì)具有一些和阿波羅月壤顯著不同的特征。首先，研究團(tuán)隊在嫦娥五號月壤中首次報道了天然存在的玻璃纖維。這些具有超高長徑比的玻璃纖維形成于撞擊過程中粘稠液體的熱塑成型，就像是實驗室中通過熱拉拔的方法制造非晶絲一樣。和低長徑比的玻璃珠相比，形成玻璃纖維的液體粘度更高，意味著對應(yīng)的撞擊溫度和撞擊速率更低，反映了月球表面較為溫和的微撞擊事件。這些天然的玻璃纖維證明月壤具有良好的玻璃形成能力和優(yōu)異的加工成型特性，肯定了在月球表面就地取材利用月壤加工生產(chǎn)玻璃建材的可行性，將為未來月球基地建設(shè)提供重要支撐。此外，研究團(tuán)隊統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)嫦娥五號月壤表面的納米沉積非晶層遠(yuǎn)薄于阿波羅月壤樣品，而且?guī)缀醪缓须y熔元素以及納米金屬鐵顆粒，僅由Si和O組成。這說明氣化月表物質(zhì)的微隕石撞擊強(qiáng)度更低，導(dǎo)致每次撞擊事件產(chǎn)生的熱蒸汽量更少，而且溫度更低不足以氣化其他難熔元素。這些特征共同揭示了嫦娥五號著陸區(qū)月球表面整體上更加溫和的撞擊環(huán)境。這一發(fā)現(xiàn)不僅成功解釋了嫦娥五號月壤高風(fēng)化程度和低玻璃含量的矛盾，也對著陸區(qū)月球表面的太空風(fēng)化、光譜特征和水含量等科學(xué)問題的研究具有指導(dǎo)意義。
相關(guān)研究結(jié)果以“Diverse glasses revealed from Chang’E-5 lunar regolith”為題在線發(fā)表于National Science Review (DOI: 10.1093/nsr/nwad079)。本工作由中科院物理所汪衛(wèi)華院士、中國空間技術(shù)研究院楊孟飛院士、南京大學(xué)鄒志剛院士領(lǐng)銜的聯(lián)合團(tuán)隊完成，月球樣品CE5C0400由國家航天局提供。物理所趙睿、常超、肖東東和沈來權(quán)為論文的共同第一作者，沈來權(quán)副研究員和白海洋研究員為共同通訊作者。上述研究工作得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(XDB30000000)、國家自然科學(xué)基金(52001220，52192600，11790291，61888102)和廣東省自然科學(xué)基金(2019B030302010)等的資助。
