文 ｜ 《中國科學(xué)報(bào)》記者 馮麗妃

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所（以下簡稱地質(zhì)地球所）研究員祁生文團(tuán)隊(duì)基于嫦娥六號(hào)月壤樣品，黏系統(tǒng)揭示了月球背面月壤表現(xiàn)出強(qiáng)黏性特征的嫦娥物理機(jī)制，從顆粒力學(xué)層面完整解開了嫦娥六號(hào)月壤“為什么這么黏”的號(hào)月科學(xué)謎題。相關(guān)研究成果11月24日在線發(fā)表于《自然-天文》。啥科

祁生文對嫦娥六號(hào)月壤樣品開展固定漏斗實(shí)驗(yàn)。答案

嫦娥六號(hào)任務(wù)總設(shè)計(jì)師胡浩曾提到，黏月球背面采樣過程中，嫦娥發(fā)現(xiàn)嫦娥六號(hào)著陸區(qū)月壤“似乎稍微黏稠一點(diǎn)，號(hào)月還有點(diǎn)結(jié)塊”，啥科這與月球正面的反常嫦娥五號(hào)月壤存在不同的物理特性。 “嫦娥五號(hào)與六號(hào)樣品的答案力學(xué)性質(zhì)差別很大。打開儲(chǔ)存瓶，黏前者會(huì)飛走；而后者黏性較大，嫦娥不會(huì)飛走。號(hào)月這說明它們在物理性質(zhì)上存在不同。”此前，中國科學(xué)院院士、地質(zhì)地球所研究員吳福元在接受《中國科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說。

其背后原因究竟是什么？經(jīng)過一年多的深入研究，祁生文團(tuán)隊(duì)終于找到了答案。他們通過固定漏斗實(shí)驗(yàn)和滾筒實(shí)驗(yàn)，精確測量了嫦娥六號(hào)月壤的休止角——反映顆粒材料流動(dòng)性的關(guān)鍵指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，其休止角顯著大于月球正面樣品，流動(dòng)特性更接近于地球上的黏性土體。

那么，這種“黏性”從何而來？精細(xì)成分分析表明，月壤中含有極少量磁性礦物且不含任何黏土礦物，因此排除了磁力和膠結(jié)作用的影響。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，其休止角增大主要在于3種微觀粒間力的協(xié)同作用：摩擦力、范德華力和靜電力。其中，摩擦力的作用與顆粒表面粗糙度正相關(guān)，范德華力與靜電力的作用則隨顆粒尺寸減小而顯著增強(qiáng)。

滾筒實(shí)驗(yàn)正面視圖。地質(zhì)地球所供圖

研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)關(guān)鍵的“粒徑閾值”——當(dāng)顆粒的D60值，即小于某一粒徑的顆粒重量占總重量60%時(shí)的顆粒粒徑值，低于約100微米時(shí)，范德華力與靜電力對休止角的作用開始凸顯，使得石英、輝石、鈣鐵輝石、拉長石等非黏性礦物顆粒表現(xiàn)出明顯的黏性特征。

基于這些理論，研究團(tuán)隊(duì)對嫦娥六號(hào)返回樣品進(jìn)行了1微米的高空間分辨CT掃描，通過對超過29萬個(gè)月壤顆粒的尺寸與形態(tài)進(jìn)行精確厘定，并同月球正面的嫦娥五號(hào)和阿波羅月壤對比，發(fā)現(xiàn)嫦娥六號(hào)月壤D60值最小，僅為48.4微米，顆粒更細(xì)，形態(tài)更復(fù)雜，整體球度顯著偏低?！巴ǔｎw粒越細(xì)，形狀越接近球形；而嫦娥六號(hào)月壤雖細(xì)，形態(tài)卻更復(fù)雜?！逼钌恼f。

研究人員認(rèn)為，這可能與樣品中富含易破碎的長石礦物（約占32.6%），以及月球背面經(jīng)歷更強(qiáng)太空風(fēng)化作用有關(guān)。正是這種“又細(xì)又粗糙”的獨(dú)特顆粒特性，提升了摩擦力、范德華力與靜電力的貢獻(xiàn)，產(chǎn)生了更高的休止角，最終造就了月背月壤的高黏性。

該研究首次從顆粒力學(xué)角度，系統(tǒng)闡釋了月壤的獨(dú)特黏聚行為，揭開了嫦娥六號(hào)月壤的“黏性”之謎，為未來月球探測任務(wù)提供了重要科學(xué)依據(jù)。研究人員表示，隨著我國深空探測步伐的不斷加快，這些研究成果將為月球基地建設(shè)、月面資源開發(fā)利用奠定關(guān)鍵理論基礎(chǔ)，助力我國在月球科學(xué)研究和資源利用領(lǐng)域取得新突破。