年轻研究团队的合影，后排中间戴着蓝色手套，手里拿着月球土壤样本。中国科学院宁波材料研究所供图
月球地球静静地“躺”在一个小玻璃瓶里，上面盖着一个特殊的real 空盖子。这么小的质量，连没有盖小玻璃瓶的瓶底都只有1g重，看起来“有点像一团灰烬”和“毫不起眼”的月球土壤，却可能改变整个地球未来的能源走向。
嫦娥五号从月球带回来的月壤分发给一些科研机构进行研究。中科院宁波材料所作为中国空技术院的联合研究单位，借用了1克月壤。他们的研究是寻找从月球土壤中提取氦-3的方法。
近日，中科院宁波材料所、中科院物理所钱学森实验室和南京大学联合团队在学术期刊《材料未来》上发表论文，宣布发现月球土壤中钛铁矿颗粒表面存在一层非晶玻璃。玻璃材料特殊的无序原子堆积结构具有很高的稳定性。比如玻璃琥珀可以保存生物标本上亿年，氧化物玻璃可以保存核废料几千年。这项工作表明，钛铁矿玻璃还具有很高的稳定性，可以捕获和保存月球上丰富的氦-3资源。
氦-3作为氦的同位素，在能源、科学研究和国防安全领域具有重要的应用价值。比如作为受控核聚变的燃料，氦-3核聚变产生的能量是采矿的250倍，是铀-235核裂变反应的12.5倍。100吨氦-3核聚变产生的能量可以供应全球一年，氦-3核聚变过程更加清洁可控，没有中子二次辐射的危险。此外，氦-3是获得极低温环境的关键制冷剂，是超导、量子计算、拓扑绝缘体等前沿研究领域的必备材料。而地球上的氦元素主要是氦-4，氦-3的储量只有0.5吨左右，远远不能满足现有需求。
地球上稀缺的氦-3，在月球上储量惊人。由于氦-3是太阳风的重要成分，月球常年受到太阳风的照射，储存了大量的氦-3。探索月球资源，特别是氦-3的含量、分布和开采，已成为国际深空空探测的必然趋势和主要任务。因此，从20世纪末开始，科技界掀起了新一轮的月球“淘金热”，将探月工程和科学研究推向了新的高潮。但如何原位高效开采氦-3仍是一个科技难题。
根据之前的研究，氦-3溶解在月球土壤颗粒中，氦-3的提取受到扩散速率的限制，需要700℃以上的高温，不仅耗能高，而且速度慢，不利于月球原位开采。因此，搞清楚氦-3在月球土壤中的存储形式，对于了解月球如何捕获氦-3，以及未来如何开发利用氦-3资源非常重要。
此次，中国研究人员通过高分辨率透射电镜和电子能量损失谱观测到玻璃层中存在大量直径约为5-25 nm的氦泡，且大部分位于玻璃层与晶体的界面附近。但是粒子内部的晶体中基本没有氦泡。
鉴于氦在钛铁矿中的高溶解度，研究人员认为氦原子首先被太阳风注入钛铁矿晶格中，然后在晶格的通道扩散作用下氦会逐渐释放出来。然而，表面玻璃具有无序的原子堆叠结构，这限制了氦原子的释放。氦原子被捕获并逐渐储存，形成气泡。
研究表明，在室温下通过机械粉碎提取以气泡形式储存的氦-3是可能的，而不需要加热到高温。而且钛铁矿磁性较弱，可以通过磁筛与其他月壤颗粒分离，便于在月球上就地开采。据估计，月球上的氦-3如果全部用于核聚变，可以满足全球2600年的能源需求。
据中国青年报·中青网记者采访了解，中科院宁波材料所的这个研究团队是一支年轻的研究团队。12位老师都是80后，学生20人左右。该团队的领导者王军强研究员表示，兴趣和坚持是科研成功的关键。
王军大学毕业的时候，决定去中国科学院物理研究所读研究生，那里是中国物理研究水平最高的地方之一。王军强读博期间，经常通宵做实验，所以第一年导师说他是做实验花费最多的学生，但导师不是在抱怨，而是用愉悦的语气告诉他。这次为了完成月壤研究任务，团队也经常熬夜做实验，分析数据。最终，一切都有回报，他们取得了一些关键成果。
因为月壤只有1克，所以每次实验都要经过精心设计和计算。研究人员需要使用一个特殊的手套箱来采集月球土壤样本，“从那一小团灰烬中取出一点点小颗粒”，他们必须经过大量的筛选，才能找到成功的样本。目前，在研究过程中，团队还在利用自主研发的具有国际领先水平的超高温核磁共振设备，研究月壤样品在高温下的玻璃化转变和相变，为未来原位3D打印月壤和建立月球基地奠定基础。
有时候研究很难看到明确的方向或结果，很多颠覆性、创新性的研究需要等待数年甚至数十年才能发挥作用。
“研究工作非常具有挑战性。幸运的是，我们已经走上了一条成功的道路。”团队成员、中科院宁波材料所副研究员徐伟说。
来源:中国青年报
【来源:中国科学院之声】
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