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文 ｜ 《中國科學報》記者 馮麗妃

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

祁生文對嫦娥六號月壤樣品開展固定漏斗實驗。答案

嫦娥六號任務總設計師胡浩曾提到，黏月球背面采樣過程中，嫦娥發(fā)現(xiàn)嫦娥六號著陸區(qū)月壤“似乎稍微黏稠一點，號月還有點結塊”，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性質(zhì)差別很大。打開儲存瓶，黏前者會飛走；而后者黏性較大，嫦娥不會飛走。號月這說明它們在物理性質(zhì)上存在不同?！贝饲?，中國科學院院士、地質(zhì)地球所研究員吳福元在接受《中國科學報》采訪時說。

其背后原因究竟是什么？經(jīng)過一年多的深入研究，祁生文團隊終于找到了答案。他們通過固定漏斗實驗和滾筒實驗，精確測量了嫦娥六號月壤的休止角——反映顆粒材料流動性的關鍵指標。實驗結果顯示，其休止角顯著大于月球正面樣品，流動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，范德華力與靜電力的作用則隨顆粒尺寸減小而顯著增強。

滾筒實驗正面視圖。地質(zhì)地球所供圖

研究團隊還發(fā)現(xiàn)了一個關鍵的“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%時的顆粒粒徑值，低于約100微米時，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，研究團隊對嫦娥六號返回樣品進行了1微米的高空間分辨CT掃描，通過對超過29萬個月壤顆粒的尺寸與形態(tài)進行精確厘定，并同月球正面的嫦娥五號和阿波羅月壤對比，發(fā)現(xiàn)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。

研究人員認為，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)歷更強太空風化作用有關。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角度，系統(tǒng)闡釋了月壤的獨特黏聚行為，揭開了嫦娥六號月壤的“黏性”之謎，為未來月球探測任務提供了重要科學依據(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、月面資源開發(fā)利用奠定關鍵理論基礎，助力我國在月球科學研究和資源利用領域取得新突破。