對(duì)話吉大張偉：嫦娥六號(hào)月壤中首次發(fā)現(xiàn)天然單壁碳納米管和石墨碳，或可用于月球基地建設(shè)

搜狐科技《思想大爆炸——對(duì)話科學(xué)家》欄目第147期，對(duì)話吉林大學(xué)唐敖慶學(xué)者－卓越教授、英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士張偉。

嘉賓簡(jiǎn)介：

張偉，吉林大學(xué)唐敖慶學(xué)者－卓越教授、測(cè)試科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心主任兼電子顯微鏡中心主任、英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士，多次入選科睿唯安“全球高被引科學(xué)家榜單”。開(kāi)發(fā)了“電子束為‘墨’、石墨烯當(dāng)‘紙’”的納米書(shū)寫(xiě)技術(shù)。系統(tǒng)研究了月壤樣品，首次發(fā)現(xiàn)了包括月球正面的天然少層石墨烯與月球背面的天然單壁納米碳管等納米碳結(jié)構(gòu)，據(jù)此提出了月壤納米碳的催化形成機(jī)制。研究方向?yàn)橄冗M(jìn)材料的電子顯微分析、催化和能源材料的表界面化學(xué)。

• 石墨碳的確認(rèn)主要依賴(lài)?yán)庾V和高分辨成像，而單壁碳管的發(fā)現(xiàn)則是在已識(shí)別碳區(qū)域的基礎(chǔ)上，通過(guò)高分辨電鏡成像直接觀測(cè)到其獨(dú)特結(jié)構(gòu)。

• 月球上的碳納米管普遍更短，而且?guī)缀跞繛槟┒朔忾]結(jié)構(gòu)。

• 碳是多功能元素，能以多種納米形式存在，它既是催化劑，也可以作為催化載體，像單壁碳管，還具有超高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性的特點(diǎn)。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

編輯｜楊 錦

當(dāng)我們仰望夜空中皎潔的月亮?xí)r，或許想象的是環(huán)形山、是月海，甚至是荒涼的巖石塵埃。其實(shí)，月球上還藏著許多亟待發(fā)掘的“碳寶藏”。

繼上次吉林大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在嫦娥五號(hào)帶回的月壤中發(fā)現(xiàn)天然少層石墨烯后，近日又在嫦娥六號(hào)月壤樣品中發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了天然形成的單壁碳納米管和石墨碳，這也是國(guó)際首次。

這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了月球表面“高能物理-化學(xué)過(guò)程”的精細(xì)程度，印證了月球背面地質(zhì)活動(dòng)非常活躍，也為研究月球演化史提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。目前，該研究已經(jīng)發(fā)表于美國(guó)化學(xué)會(huì)《納米快報(bào)》。

天然單壁碳納米管和石墨碳從何而來(lái)？它能否為未來(lái)月球基地建設(shè)提供材料線索？帶著這些疑問(wèn)，搜狐科技再次對(duì)話了吉林大學(xué)張偉教授，聽(tīng)他解讀月壤中那些隱匿的“碳密碼”。

“火眼金睛”探秘月球天然碳納米管

張偉首先解釋了為什么團(tuán)隊(duì)能在月壤中發(fā)現(xiàn)天然單壁碳管和石墨碳。

“傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)研究者通常更關(guān)注礦物等目標(biāo)，在處理月壤樣品時(shí)，可能會(huì)破壞其中微小、原始的碳結(jié)構(gòu)，而我們是通過(guò)多種電鏡技術(shù)與譜學(xué)方法的聯(lián)用，結(jié)合微觀原子結(jié)構(gòu)成像與化學(xué)成分分析觀測(cè)到的。”

石墨碳的確認(rèn)主要依賴(lài)?yán)庾V和高分辨成像，而單壁碳管的發(fā)現(xiàn)則是在已有碳區(qū)域的基礎(chǔ)上，通過(guò)高分辨電鏡成像直接觀測(cè)到其獨(dú)特結(jié)構(gòu)的。

張偉還詳細(xì)介紹了這些技術(shù)。高分辨透射電子顯微鏡可以用于觀察材料的原子級(jí)晶格結(jié)構(gòu)；高角環(huán)形暗場(chǎng)像能提供更直觀的非相干原子像，直接顯示原子位置；電子能量損失譜不僅能鑒定元素種類(lèi)，還能精確分析元素的化學(xué)價(jià)態(tài)和成鍵方式。

而拉曼光譜則是連接宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)的橋梁，通過(guò)探測(cè)分子振動(dòng)來(lái)鑒別特定的物質(zhì)狀態(tài)，這對(duì)碳材料的研究至關(guān)重要。

其實(shí)，早在1991年，日本科學(xué)家飯島澄男（Sumio Iijima）就首次在透射電鏡下發(fā)現(xiàn)了碳納米管，但他發(fā)現(xiàn)的是人工電弧放電制備的碳納米管。而張偉雖然也使用了透射電鏡，但是是首次在月壤樣品中證實(shí)了天然形成的單壁碳納米管的存在。

在分析嫦娥五號(hào)樣品時(shí)，張偉就曾對(duì)搜狐科技表示嫦娥六號(hào)樣品中很有可能存在天然少層石墨烯或類(lèi)似物，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)的確如此。

石墨烯本質(zhì)上也是石墨的一種特殊形態(tài)，只不過(guò)，基于目前的數(shù)據(jù)，六號(hào)樣品中的石墨缺陷比較多，這可能與月球背面更強(qiáng)烈的微隕石撞擊等極端事件有關(guān)。

對(duì)此，張偉表示：“微隕石撞擊提供能量，火山活動(dòng)也提供能量和載體，太陽(yáng)風(fēng)則提供碳源（碳離子），這些因素結(jié)合起來(lái)，就像是一個(gè)‘神奇的造物主’在創(chuàng)作東西，默默催化著特殊碳結(jié)構(gòu)的形成，而透射電鏡就如同‘火眼金睛’，能直接觀察和確認(rèn)這些精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)。”

在“火眼金睛”加持下，張偉的確發(fā)現(xiàn)月球上天然形成的碳納米管與實(shí)驗(yàn)室人工合成的碳納米管在形態(tài)上存在著明顯差異：月球上的普遍更短，而且?guī)缀跞繛槟┒朔忾]結(jié)構(gòu)，而通常人工合成的碳納米管末端也可以是開(kāi)口的。

“所以你看，不同于地球的氧氣環(huán)境，月球沒(méi)有大氣保護(hù)，處于高度還原狀態(tài)，大自然這‘造物主’在極端條件下真的具有創(chuàng)造特殊精細(xì)材料的獨(dú)特能力。”張偉感嘆道。

為人類(lèi)找到了分析月球的突破口

可以說(shuō)，團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)嫦娥六號(hào)月壤樣品的精細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)了碳管更短、石墨缺陷更多等微觀證據(jù)，為“月球背面地質(zhì)活動(dòng)非常活躍”提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，也為月球演化模型增添了關(guān)鍵拼圖。

“不過(guò)，我也要糾正一下，我們只是說(shuō)月球背面非常活躍，并沒(méi)有說(shuō)比正面活躍，通過(guò)揭示月球不同區(qū)域的物質(zhì)差異，可以幫我們更好地理解行星的差異性演化歷史。”張偉如是說(shuō)。

繼在嫦娥五號(hào)樣品中發(fā)現(xiàn)少層石墨烯后，此次又發(fā)現(xiàn)碳納米管和石墨碳，張偉稱(chēng)碳是整個(gè)星際中一個(gè)非常關(guān)鍵的元素。

對(duì)地球來(lái)講，碳的重要性不言而喻，我們的生命基礎(chǔ)、物質(zhì)循環(huán)以及關(guān)鍵的能源都離不開(kāi)碳。而在月球上發(fā)現(xiàn)天然石墨烯與納米碳管，不僅是材料上的突破，更是為人類(lèi)找到了一個(gè)分析月球的突破口。

“未來(lái)在月球以及深空探測(cè)中，大家圍繞碳材料以及相關(guān)領(lǐng)域一定會(huì)展開(kāi)更多、更熱的研究，逐漸形成一個(gè)龐大的研究體系。”張偉展望道。

談到這，我們不免發(fā)問(wèn)，這些天然形成的先進(jìn)碳材料，未來(lái)在月球科研站建設(shè)、原位資源利用方面有哪些潛在的應(yīng)用場(chǎng)景呢？

對(duì)此，張偉首先講述了他近日在哈爾濱應(yīng)邀參加的“月球原位自主智造基礎(chǔ)研究創(chuàng)新論壇”的經(jīng)歷。

“其實(shí)會(huì)上有很多科學(xué)家談到了在月球建房子，實(shí)現(xiàn)月球通信等等，我覺(jué)得，在暢想遙遠(yuǎn)的月球基建的同時(shí)，我們更應(yīng)該務(wù)實(shí)聚焦于如何就地利用月球資源的研究，這樣能避免我們從地球運(yùn)送昂貴材料上去。”

月球上有碳、鐵以及礦物資源，張偉稱(chēng)碳資源之所以重要，是因?yàn)樘际嵌喙δ茉兀芤远喾N納米形式存在，比如石墨烯、碳管等，它既是催化劑，也可以作為催化載體。

如果我們?cè)谠虑蛏险业礁缓嫉膮^(qū)域，就可以通過(guò)催化過(guò)程將無(wú)用的分子轉(zhuǎn)化為有用的氣體或資源，實(shí)現(xiàn)原位資源的利用。

此外，像碳管，尤其是單壁碳管，還具有超高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性的特點(diǎn)，甚至強(qiáng)度超過(guò)了鋼鐵。

“清華大學(xué)的魏飛教授制造出了最長(zhǎng)的碳納米管，說(shuō)不定以后真的可以像科幻片一樣，制造出從月球到地球的通天梯，但想要實(shí)現(xiàn)可能還需要長(zhǎng)期的努力。”張偉說(shuō)。

月壤研究的團(tuán)隊(duì)

正如研究嫦娥五號(hào)月壤樣品一樣，這項(xiàng)研究也是由張偉、李秀娟研究員和鄒猛教授共同完成的。

“我們?nèi)齻€(gè)人互相協(xié)調(diào)、互相支持，可以說(shuō)是完美的團(tuán)隊(duì)。”

“鄒老師是月壤使用責(zé)任人，也是他領(lǐng)銜申請(qǐng)到的樣品，在深空探測(cè)領(lǐng)域有影響力。李老師是月壤的保管人和協(xié)調(diào)人，月壤保管是非常復(fù)雜的，李老師對(duì)測(cè)試流程規(guī)劃把握得非常精準(zhǔn)，我自認(rèn)為我做不到，我特別佩服她。”張偉笑著講述道。

而張偉在電子材料、能源催化、納米材料、結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域有30年的研究經(jīng)驗(yàn)，十分擅長(zhǎng)用前沿的顯微與分析技術(shù)對(duì)月壤等復(fù)雜材料的組分展開(kāi)一線精細(xì)的表征研究，能把極端環(huán)境的形成演化機(jī)制闡述清楚。

在張偉看來(lái)，吉林大學(xué)電子顯微鏡中心是國(guó)內(nèi)高端測(cè)試的一個(gè)縮影，我們國(guó)家很多測(cè)試中心的水平都非常強(qiáng)，從硬件尺度上來(lái)講，已經(jīng)超過(guò)國(guó)外了。

目前針對(duì)這兩批月壤樣品，基于先進(jìn)顯微表征分析，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)表了七篇研究論文，一方面揭示月球上未曾報(bào)道過(guò)的新物質(zhì)形式，另一方面發(fā)現(xiàn)一些新現(xiàn)象。

比如近期他們基于學(xué)科交叉的理念，成功將材料科學(xué)中的經(jīng)典理論“穿晶斷裂”應(yīng)用于解釋月球礦物的損傷機(jī)制，而這些基礎(chǔ)性的發(fā)現(xiàn)有助于打破學(xué)科壁壘，深化我們對(duì)月球的理解。

“最后，請(qǐng)?jiān)试S我先賣(mài)個(gè)關(guān)子，目前我們團(tuán)隊(duì)還有一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)，但還在保密階段，大家可以期待一下。”張偉如是說(shuō)。

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