月壤安安靜靜地“躺”在一個小小的玻璃瓶里，被一個特殊的真空罩罩起來。那么小小一團，甚至沒有鋪滿小玻璃瓶的瓶底，重量僅有1克，看上去“有點兒像一團灰”“毫不起眼”的月壤，卻可能會改變整個地球未來的能源走向。
嫦娥五號從月球帶回的月壤，被分給一些科研機構(gòu)做研究。中科院寧波材料所作為中國空間技術(shù)研究院的聯(lián)合研究單位，借用了1克月壤，他們的研究，就是尋找月壤中氦-3的提取方法。
近日，中科院寧波材料所、航天五院錢學(xué)森實驗室、中科院物理所和南京大學(xué)等聯(lián)合團隊，在學(xué)術(shù)期刊《材料未來》（Materials Futures）上發(fā)表論文，宣布發(fā)現(xiàn)月壤中鈦鐵礦顆粒表面都存在一層非晶玻璃。玻璃態(tài)材料特殊的無序原子堆積結(jié)構(gòu)具有極高的穩(wěn)定性，比如玻璃態(tài)琥珀可以將生物標(biāo)本保存上億年、氧化物玻璃可以將核廢料儲存上千年。這項工作表明鈦鐵礦玻璃也具有極高的穩(wěn)定性，在月球上捕獲并保存了豐富的氦-3資源。
氦-3作為氦（元素周期表中第二個元素）的一種同位素，在能源、科學(xué)研究和國防安全等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。比如，作為一種可控核聚變的燃料，氦-3核聚變產(chǎn)生的能量是開采所需能量的250倍，是鈾-235核裂變反應(yīng)（約為20）的12.5倍。100噸氦-3核聚變產(chǎn)生的能量即可供應(yīng)全球使用1年，且氦-3核聚變過程無中子二次輻射危險，更加清潔和可控。另外，氦-3是獲得極低溫環(huán)境的關(guān)鍵制冷劑，是超導(dǎo)、量子計算、拓撲絕緣體等前沿研究領(lǐng)域的必需物質(zhì)。然而，地球上氦元素主要是氦-4，氦-3儲量只有0.5噸左右，遠遠無法滿足現(xiàn)有需求。
在地球上稀缺的氦-3，在月球上卻是儲量驚人。因為氦-3是太陽風(fēng)的重要成分，月球常年受太陽風(fēng)的輻照，儲存了大量氦-3。探索月球資源，特別是氦-3的含量、分布和開采，已經(jīng)成為當(dāng)前國際深空探測的必然趨勢和主要任務(wù)。因此，從20世紀(jì)末開始，科技界掀起了新一輪的月球“淘金熱”，使探月工程和科學(xué)研究達到新的高潮。但是如何原位、高效開采氦-3還是科學(xué)和技術(shù)難題。
以往研究認(rèn)為，氦-3溶解在月壤顆粒中，提取氦-3受擴散速率限制，需要700℃以上的高溫，不但耗能較高，而且速度慢，不利于在月球上原位開采。因此，探明月壤中氦-3的儲藏形式，對未來認(rèn)識月球是如何捕獲氦-3，如何開發(fā)利用氦-3資源至關(guān)重要。
這次，中國研究人員通過高分辨透射電鏡結(jié)合電子能量損失譜法，在玻璃層中觀測到了大量的氦氣泡，直徑大約為5-25納米（1毫米等于1000微米，1微米等于1000納米——記者注），且大部分氣泡都位于玻璃層與晶體的界面附近。而在顆粒內(nèi)部晶體中，基本沒有氦氣泡。
鑒于氦在鈦鐵礦中的高溶解度，研究人員認(rèn)為氦原子首先由太陽風(fēng)注入鈦鐵礦晶格中，之后在晶格的溝道擴散效應(yīng)下，氦會逐漸釋放出來。而表層玻璃具有原子無序堆積結(jié)構(gòu)，限制了氦原子的釋放，氦原子被捕獲并逐漸儲存起來，形成了氣泡。
研究表明，通過機械破碎方法有望在常溫下提取以氣泡形式儲存的氦-3，不需要加熱至高溫。而且，鈦鐵礦具有弱磁性，可以通過磁篩選與其他月壤顆粒分開，便于在月球上原位開采。根據(jù)估算，月球上的氦-3如果全部用于核聚變，可以滿足全球2600年的能源需求。
中青報·中青網(wǎng)記者采訪得知，中科院寧波材料所的這個研究團隊，是一支年輕的科研團隊。12位老師都是80后，學(xué)生有20人左右。團隊負責(zé)人王軍強研究員說，興趣和堅持是科研成功之路的關(guān)鍵。
王軍強大學(xué)畢業(yè)時，決定考取中科院物理所的研究生，這是中國物理研究水平最高的地方之一。王軍強讀博期間，經(jīng)常做通宵實驗，所以第一年下來，導(dǎo)師說他是實驗花銷最多的學(xué)生，但導(dǎo)師并不是在抱怨，而是以一種愉悅的口氣在跟他說。這次，為了完成月壤研究任務(wù)，團隊也是經(jīng)常通宵做實驗和分析數(shù)據(jù)。最終，功夫不負有心人，他們獲得了一些關(guān)鍵性的成果。
因為僅有1克月壤，每一次實驗都要精心設(shè)計和計算。研究者要使用特制的手套箱來實現(xiàn)月壤樣品的取用，“從那一小團灰里來取一點點小顆粒”，要經(jīng)過大量篩選，才能找到成功的樣品。目前團隊在研究過程中，也正在利用自主研制的具有國際領(lǐng)先水平的超高溫核磁共振設(shè)備，研究高溫下月壤樣品的玻璃轉(zhuǎn)變和相變，為未來原位3D打印月壤，建立月球基地奠定基礎(chǔ)。
研究工作有時候是很難看到明晰的方向或者結(jié)果的，許多顛覆性的、創(chuàng)新的研究，需要等上幾年甚至幾十年才能發(fā)揮作用。
“研究工作很有挑戰(zhàn)性，幸運的是我們走上了一條成功的路。”團隊成員、中科院寧波材料所副研究員許巍說。