中國科學院院士、中國科學院廣州地球化學研究所研究員何宏平團隊，首次在嫦娥五號月壤樣品中觀察到一種奇特的晶體生長現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)月表的鉻鐵礦納米晶體可以像雨后的蘑菇一樣從橄欖石表面向外生長。近日，相關成果發(fā)表于《美國礦物學家》。
結晶是人類生產(chǎn)生活中最重要的物理化學過程之一。傳統(tǒng)結晶生長過程均是在地球上觀察到的，但其他天體環(huán)境中的晶體生長是否有別于地球還不得而知。例如離地球最近的月球，由于沒有大氣層保護，其表面無時無刻不在遭受隕石和各種高能粒子的轟擊；在轟擊產(chǎn)生的極端高溫、高壓之下，月表晶體的粒徑、形貌、生長方式和礦物組合都與地表晶體具有明顯差異。
“蘑菇”生長結構示意圖
為探究這些奇特晶體生長現(xiàn)象的發(fā)生機制，研究團隊采用原位聚焦離子束制樣方法從嫦娥五號月壤角礫巖碎屑中提取樣品，使用裝載電子能量損失譜探測系統(tǒng)的高分辨透射電鏡，對樣品進行了微-納米級礦物學研究。他們在樣品中觀察到一種罕見的由鉻鐵礦-隕硫鐵納米球-零價鐵納米球組成的枝晶結構，如蘑菇一般從橄欖石表面垂直生長。
電鏡下的結構和成分分析揭示了該“蘑菇”結構形成的過程：一是碎屑遭受微隕石撞擊，其所含F(xiàn)e2+發(fā)生歧化反應，在熔融玻璃中產(chǎn)生納米零價鐵球及Fe3+，同時產(chǎn)生納米硫化鐵球或其與零價鐵球的不混溶復合體；二是含鐵的納米球在高溫下與橄欖石發(fā)生定向附著；三是定向附著產(chǎn)生了具有高勢能的缺陷位點，橄欖石中的Cr3+和玻璃中的Fe2+向缺陷處聚集并結晶出鉻鐵礦；四是在非平衡條件下，鉻鐵礦以枝晶形態(tài)向玻璃中持續(xù)生長，將納米球向外頂出，直到體系能量消耗至無法跨越結晶的能壘為止。該過程得到了晶格失配度計算及熱力學模擬計算的支持。
“蘑菇”生長結構示意圖
該研究提出了一種發(fā)生在極端非平衡條件下的生長新機制，能夠利用原有物相內(nèi)部的雜質離子，在原物相之間的非均質界面上產(chǎn)生新的礦物相。這一發(fā)現(xiàn)首次證明定向附著不僅可以發(fā)生在均相體系中，也可以發(fā)生在多相體系中，對現(xiàn)有非經(jīng)典生長機制體系起到了重要的補充和開拓作用。
考慮到月球表面遭受撞擊的頻率很高，可以想見這種機制可能在月球風化層中普遍發(fā)生，從而影響月表的礦物組成和元素分布。同時，此類“蘑菇”結構的出現(xiàn)還可能作為極端非平衡結晶的指標，為后續(xù)針對無大氣天體表面及其他極端條件下的晶體生長機制研究提供參考。
來源:中國科學報
編輯:韓佳
一審:韓佳 二審:馮媛媛 三審:姜健
