文 ｜ 《中國科學(xué)報》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(jiǎn)稱(chēng)地質(zhì)地球所）研究員祁生文團隊基于嫦娥六號月壤樣品，黏系統揭示了月球背面月壤表現出強黏性特征的嫦娥物理機制，從顆粒力學(xué)層面完整解開(kāi)了嫦娥六號月壤“為什么這么黏”的號月科學(xué)謎題。相關(guān)研究成果11月24日在線(xiàn)發(fā)表于《自然-天文》。啥科

祁生文對嫦娥六號月壤樣品開(kāi)展固定漏斗實(shí)驗。答案

嫦娥六號任務(wù)總設計師胡浩曾提到，黏月球背面采樣過(guò)程中，嫦娥發(fā)現嫦娥六號著(zhù)陸區月壤“似乎稍微黏稠一點(diǎn)，號月還有點(diǎn)結塊”，啥科這與月球正面的反常嫦娥五號月壤存在不同的物理特性。 “嫦娥五號與六號樣品的答案力學(xué)性質(zhì)差別很大。打開(kāi)儲存瓶，黏前者會(huì )飛走；而后者黏性較大，嫦娥不會(huì )飛走。號月這說(shuō)明它們在物理性質(zhì)上存在不同?！贝饲?，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》采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)。

其背后原因究竟是什么？經(jīng)過(guò)一年多的深入研究，祁生文團隊終于找到了答案。他們通過(guò)固定漏斗實(shí)驗和滾筒實(shí)驗，精確測量了嫦娥六號月壤的休止角——反映顆粒材料流動(dòng)性的關(guān)鍵指標。實(shí)驗結果顯示，其休止角顯著(zhù)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(lái)？精細成分分析表明，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作用的影響。研究團隊進(jìn)一步發(fā)現，其休止角增大主要在于3種微觀(guān)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(zhù)增強。

滾筒實(shí)驗正面視圖。地質(zhì)地球所供圖

研究團隊還發(fā)現了一個(gè)關(guān)鍵的“粒徑閾值”——當顆粒的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(kāi)始凸顯，使得石英、輝石、鈣鐵輝石、拉長(cháng)石等非黏性礦物顆粒表現出明顯的黏性特征。

基于這些理論，研究團隊對嫦娥六號返回樣品進(jìn)行了1微米的高空間分辨CT掃描，通過(guò)對超過(guò)29萬(wàn)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和阿波羅月壤對比，發(fā)現嫦娥六號月壤D60值最小，僅為48.4微米，顆粒更細，形態(tài)更復雜，整體球度顯著(zhù)偏低?！巴ǔｎw粒越細，形狀越接近球形；而嫦娥六號月壤雖細，形態(tài)卻更復雜?！逼钌恼f(shuō)。

研究人員認為，這可能與樣品中富含易破碎的長(cháng)石礦物（約占32.6%），以及月球背面經(jīng)歷更強太空風(fēng)化作用有關(guān)。正是這種“又細又粗糙”的獨特顆粒特性，提升了摩擦力、范德華力與靜電力的貢獻，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，系統闡釋了月壤的獨特黏聚行為，揭開(kāi)了嫦娥六號月壤的“黏性”之謎，為未來(lái)月球探測任務(wù)提供了重要科學(xué)依據。研究人員表示，隨著(zhù)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、月面資源開(kāi)發(fā)利用奠定關(guān)鍵理論基礎，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。