月球玻璃是月壤的重要組成部分，由月球上的火山活動、隕石撞擊、太陽風和宇宙射線輻照等一系列非平衡過程產(chǎn)生。產(chǎn)生月球玻璃的各種非平衡過程在月球的演化過程中扮演著關(guān)鍵角色，我們對月球的認識在很大程度上依賴于對這些過程的研究。月球玻璃作為這些重要過程的普遍產(chǎn)物可以穩(wěn)定存在億萬年，他們不僅可以像地球上的琥珀一樣保存遠古年代的物質(zhì)，還記錄著其形成過程和超長時間尺度下演化的重要歷史信息。例如火山噴發(fā)產(chǎn)生大量細小的液滴會在快速冷卻后形成玻璃顆粒，這些火山玻璃能夠為火山活動的年齡、內(nèi)部巖漿演化和月球早期的水含量提供關(guān)鍵信息。同時，月球自誕生之日起，就不斷遭受太陽系內(nèi)各種隕石的撞擊，這些尺寸分布在千米至納米范圍，速度在3至50千米每秒不等的隕石會產(chǎn)生不同種玻璃物質(zhì)。各種撞擊相關(guān)的玻璃物質(zhì)記錄了月球表面的隕石撞擊歷史，保存了隕石帶來的水、碳和磁性礦物等各種物質(zhì)，是研究月球表面水的起源、太空風化機制和月球磁場演化的寶貴樣本?？梢哉f不同成因的月球玻璃就像天然照相機一樣記錄下不同年代月球內(nèi)部和表面的演化歷史，是探索月球奧秘的重要材料。

2020年12月，中國的嫦娥五號（Chang’E-5）返回器成功取回了約1.73 kg的月壤。與之前的返回樣品相比，Chang’E-5樣品來自迄今為止最年輕的月球區(qū)域，年齡約為20億年，并且位于較高的中高緯度地區(qū)，這將大大擴展月球研究的時空邊界。

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心汪衛(wèi)華院士帶領(lǐng)的非晶團隊對Chang’E-5月壤樣品中的玻璃物質(zhì)進行了系統(tǒng)研究。針對月壤粉末樣品，該研究結(jié)合了掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等顯微表征手段綜合分析了月壤中玻璃/非晶物質(zhì)的形態(tài)、成分和微觀結(jié)構(gòu)等，發(fā)現(xiàn)了多種類型、不同起源的月球玻璃物質(zhì)，構(gòu)建了月球玻璃/非晶相的分類目錄，并從玻璃形成的角度揭示了該采樣地點較為溫和的微隕石撞擊環(huán)境和獨特的太空風化特征，也為基于月壤資源原位加工制造玻璃材料和器件提供了科學依據(jù)。此成果已經(jīng)發(fā)表于《國家科學評論》2023年第12期，標題為 “Diverse glasses revealed from Chang’E-5 lunar regolith”,沈來權(quán)副研究員和白海洋研究員為共同通訊作者。

圖1：嫦娥五號月壤中球狀、橢球狀、啞鈴狀等形態(tài)玻璃珠

研究團隊明確了月球表面存在的液、氣、固多種轉(zhuǎn)變路徑的玻璃起源。其中，液體冷卻產(chǎn)生的玻璃物質(zhì)主要起源于隕石和微隕石的撞擊，包括球狀、橢球狀、啞鈴狀等規(guī)則形狀的玻璃珠、氣孔構(gòu)造的膠結(jié)質(zhì)和流體形態(tài)的濺射物等。氣體起源的玻璃主要為高速隕石撞擊導致的熱蒸發(fā)沉積作用在月壤顆粒表面形成的沉積非晶層。而由固體形成的玻璃則為太陽風離子注入誘導的輻照損傷破壞礦物表面晶體結(jié)構(gòu)而形成的損傷非晶層。值得注意的是，Chang’E-5月壤中的玻璃物質(zhì)具有一些和Apollo月壤玻璃顯著不同的特征。首先，研究團隊在Chang’E-5月壤中首次報道了在月球表面天然形成的玻璃纖維。這些玻璃纖維有著遠高于一般玻璃顆粒的長徑比，形成于撞擊過程中較低溫的高粘度液體的熱塑拉拔成型，相應的撞擊過程更為溫和。月球玻璃纖維的發(fā)現(xiàn)也說明月壤具有突出的玻璃形成能力和可加工成型特性，意味著可在月球表面就地取材利用月壤加工生產(chǎn)玻璃建材。另外，研究團隊還發(fā)現(xiàn)Chang’E-5月壤表面的撞擊沉積非晶層遠薄于以往的月壤樣品，而且僅由Si和O組成。這說明其對應的微隕石撞擊事件更加溫和，產(chǎn)生的熱蒸發(fā)氣體量更少，也不足以汽化難熔金屬元素。這些發(fā)現(xiàn)共同揭示了Chang’E-5采樣點獨特的撞擊環(huán)境，不僅能夠解釋Chang’E-5月壤高風化程度和低玻璃含量的矛盾，也為認識該地區(qū)月表的太空風化、光譜特征和水含量等科學問題提供啟發(fā)。

圖2：月球表面各類玻璃物質(zhì)的不同起源和相應的月球活動。

來源： 中國科學雜志社微信公號