近日，国家纳米科学中心郑强课题组与中科院物理所郭建刚研究员、应天平特聘研究员、陈小龙研究员、国家天文台李春来研究员、广州地化所徐义刚院士等团队合作，在嫦娥5号月壤样品表面微结构研究方面取得重要进展。相关成果以Surface microstructures of lunar soil returned by Chang’e-5 mission reveal an intermediate stage in space weathering process为题，在线发表于《科学通报》英文版（Science Bulletin 2022, DOI: 10.1016/j.scib.2022.06.019），并被央视新闻报道。

数十亿年来，月球上的土壤受到微陨石轰击、太阳风、宇宙射线中的带电粒子辐射等太阳风化的作用，其表面微结构和化学组分与地球土壤有较大区别。前期研究表明，太空风化使月球上的铁橄榄石和其他矿物表面形成厚的非晶层，厚度为50-200纳米，层内包裹着大量尺寸为2-10纳米的金属Fe颗粒。目前，金属Fe的形成机理存在争议，主要存在两种观点即铁橄榄石受微陨石等轰击直接热分解和带电离子辅助下的分步还原。我国嫦娥5号采集的月壤样品属于最年轻的玄武岩，且取样点的纬度最高，为探究月壤在太空风化作用下的物质和结构演化提供了新机会。

研究团队对月壤（CE5C0100YJFM00103）中主要矿物铁橄榄石、辉石、长石和玻璃珠进行了系统的表面微结构表征。在25个尺寸较小（~1 μm）和外形规则的多种矿物样品中，团队仅在铁橄榄石表面观察到了非常薄的SiO₂非晶层（厚度~10纳米），其中包裹着大小为2-12纳米的晶粒（图1）。辉石和长石表面的化学组分与内部相同，表面不存在明显的非晶层。该团队通过透射电镜高分辨原子像及对应的快速傅立叶变换（FFT）图谱，得到了铁橄榄石表面非晶层内部纳米晶粒的面间距分别是2.45埃，2.11埃和1.49埃，该数值与面心立方方铁矿FeO的(1-11)，(002)和(2-20)晶面间距完全一致，不同于体心立方金属Fe的面间距。同时，将金属Fe、 FeCO₃标准样品与铁橄榄石的电子能量损失谱中Fe的化学位移和吸收边的比值进行比对，进一步确认该纳米颗粒中的Fe为+2价，表明这些纳米颗粒是方铁矿。在铁橄榄石边缘，最外层区域I是SiO₂非晶层，区域II是SiO₂非晶和FeO共存，区域III是SiO₂非晶和铁橄榄石共存，这是首次在月球土壤中观察到此种特殊的微结构（图2）。本工作发现的FeO纳米晶粒和分层的边缘微结构表明所研究的铁橄榄石可能处于热分解的中间阶段，支持了铁橄榄石在太阳风化作用下发生分步还原的观点。此外，化学元素和形貌分析发现辉石、长石和玻璃珠的表面不包含非晶层和易挥发的外来元素（如硫、氯等），样品内部也没有出现太阳耀斑穿过的痕迹，表明所研究的样品可能处于太阳风化的中早期阶段。

国家纳米科学中心新购置安装的双球差校正透射电子显微镜在该工作中多种矿物表面微结构分析以及铁橄榄石的分层边缘微结构和所含FeO纳米颗粒结构与价态研究等方面发挥了重要作用。

郑强研究员与中科院物理所陈小龙研究员为本文的共同通讯作者，中科院物理所郭建刚研究员和应天平研究员为本文共同第一作者，中心联合培养研究生高汉滨为本文合作作者。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927322002651

央视网报道链接：https://tv.cctv.com/2022/07/14/VIDEYmrfb1UiFwNU5djEuTK9220714.shtml

图1. (a-c)铁橄榄石的形貌，表面特征和纳米包裹物。(d-f)FeO纳米颗粒组分和尺寸。(g) 区域2的FFT图谱，表明存在FeO和铁橄榄石的混合相。

图2. (a) 铁橄榄石表面的结构特征。(b) 区域I，II和II的透射电镜高分辨原子像和FFT图谱。