早在1972年，美國國家航空航天局（NASA）就將他們的最後一批宇航員派往月球執行了阿波羅17號任務。這些宇航員將一些月球土壤帶回了地球，以便科學家們可以繼續在他們的實驗室中研究月球土壤。由於我們已經有近50年沒有返回月球了，所以每個月球樣本都是寶貴的。我們需要使他們現在和將來都值得研究人員重視。在《氣象與行星科學》的一項新研究中，科學家發現了一種使用單顆粒塵埃來分析月球土壤化學性質的新方法。他們的技術可以幫助我們更多地瞭解月球表面的狀況以及在那裡形成水和氦等珍貴資源的情況。
“我們正在逐個原子地分析來自太空的岩石，”該論文的第一作者，菲爾德博物館和芝加哥大學的博士生Jennika Greer說。“這是首次對月球樣品進行這樣的研究。我們正在使用許多地質學家甚至從未聽說過的技術。
“我們可以將這種技術應用於沒有人研究過的樣品，”菲爾德博物館的策展人，芝加哥大學副教授，論文的合著者菲利普·赫克（Philipp Heck）補充道。“幾乎可以保證您找到新的東西或意外的東西。這項技術具有如此高的靈敏度和分辨率，您會發現其他東西無法找到的東西，而只用掉一小部分樣品。”
該技術稱為原子探針層析成像（APT），通常由致力於改善工業流程（例如製造鋼和納米線）的材料科學家使用。但是，它具有分析少量物質的能力，使其成為研究月球樣品的理想人選。阿波羅17號的樣本包含111千克（245磅）的月球岩石和土壤-事物的整體計劃，而不是全部，所以研究人員必須明智地使用它。格雷爾的分析只需要一個單粒土壤，大約和人類頭髮一樣寬。她用那微小的顆粒識別出空間風化，純鐵，水和氦的產物，這些產物是由月球土壤與空間環境的相互作用形成的。從月球土壤中提取這些寶貴的資源可以幫助未來的宇航員維持其在月球上的活動。
為了研究細小晶粒，格里爾使用聚焦的帶電原子束將細小，超銳利的尖端刻入其表面。該筆尖只有幾百個原子寬-相比之下，一張紙有幾十萬個原子厚。菲利普·赫克（Philipp Heck）說：“我們可以使用納諾珀特表達。” “就像木匠塑造木材一樣，我們以納米級的方式處理礦物。”
一旦樣品進入西北大學的原子探針內部，格里爾就會用激光將其打碎，以將原子逐一敲除。當原子飛離樣品時，它們撞擊了檢測器板。較重的元素（如鐵）比較輕的元素（如氫）到達檢測器所需的時間更長。通過測量激光發射和原子撞擊檢測器之間的時間，儀器可以確定該位置原子的類型及其電荷。最後，Greer使用每個原子和分子的顏色編碼點在三個維度上重建了數據，以繪製出月球塵埃的納米級3D地圖。
這是科學家第一次在月球土壤中看到原子的類型及其確切位置。儘管APT是材料科學中的一種眾所周知的技術，但之前從未有人嘗試將其用於月球樣品。Greer和Heck鼓勵其他宇宙化學家嘗試一下。“對於全面表徵少量珍貴樣品非常有用，” Greer說。“我們有像Hayabusa2和OSIRIS-REx這樣的令人興奮的任務即將重返地球，這是一種無人駕駛的航天器，可以收集微小的小行星碎片。這項技術絕對應該應用於它們帶回來的東西，因為它使用的材料很少，但提供的卻如此很多信息。”
通過研究月球表面的土壤，科學家可以洞悉太陽系內部的重要力量：太空風化。太空是一個苛刻的環境，微小的隕石，來自太陽的粒子流以及太陽和宇宙射線形式的輻射。雖然地球的大氣層可以保護我們免受太空風化的影響，但其他物體（如月球和小行星）沒有大氣層。結果，月球表面的土壤經歷了由空間風化引起的變化，使其與月球其餘部分組成的岩石發生了根本性的變化。有點像蘸巧克力的冰淇淋：外表面與內部不匹配。藉助APT，科學家們可以以其他方法無法找到的方式來尋找太空風化表面和未暴露的月球汙垢之間的差異。
由於格里爾（Greer）的研究使用的是納米大小的尖端，她的月塵顆粒仍可用於未來的實驗。這意味著新一代科學家可以從相同的寶貴樣本中做出新的發現和預測。赫克說：“五十年前，沒有人預料到有人會使用這種技術來分析樣品，而只使用一粒顆粒的一小部分。” “成千上萬的此類穀物可能放在宇航員的手套上，這對於進行大規模研究而言將是足夠的材料。”
格里爾和赫克強調，由於外太空地形多樣，宇航員需要帶回實物樣本的任務。格里爾說：“如果僅從月球上的一個地方分析太空風化，就好像只在一個山脈上分析地球的風化一樣。” 我們需要去其他地方和物體，以瞭解地球風化的方式，就像檢查地球上不同的地方一樣，例如沙漠中的沙子和地球上的山脈露頭。”
我們尚不知道從太空風化中會發現什麼驚喜。格里爾說：“在實驗室中瞭解這些材料很重要，這樣我們才能瞭解通過望遠鏡觀察時看到的東西。” “由於這樣的事情，我們瞭解了月球上的環境。這遠遠超出了宇航員在月球上行走時所能告訴我們的東西。這種小顆粒保留了數百萬年的歷史。
這項研究的結果說服美國國家航空航天局在未來三年內資助菲爾德博物館和西北團隊以及普渡大學的同事使用APT研究不同類型的月塵，以量化其水含量並研究太空風化的其他方面。
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