新聞動(dòng)態(tài)席佳鑫、楊宜坪等-AM：CE5月壤礦物“蘑菇”結(jié)構(gòu)揭示極端非平衡生長(zhǎng)機(jī)制
????結(jié)晶是人類的生產(chǎn)生活中最重要的物理化學(xué)過程之一，決定著凝聚態(tài)物質(zhì)的各種性質(zhì)。晶體結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)機(jī)制對(duì)現(xiàn)代化學(xué)、礦物學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)藥學(xué)和地球科學(xué)等眾多領(lǐng)域的發(fā)展都至關(guān)重要。晶體生長(zhǎng)機(jī)制的基本理論框架早在18世紀(jì)后期就已經(jīng)確立，在后續(xù)的兩百年里逐漸發(fā)展為經(jīng)典晶體生長(zhǎng)理論體系；近三十年來，隨著納米材料和生物材料科學(xué)的迅速發(fā)展，更多的非經(jīng)典晶體生長(zhǎng)機(jī)制也被提出，常見天然/合成框架內(nèi)的晶體生長(zhǎng)理論體系正在日趨完善。
????傳統(tǒng)結(jié)晶生長(zhǎng)過程均是在地球上獲得的觀察，而地球之外的其他天體環(huán)境中的晶體生長(zhǎng)是否有別于地球還不得而知。例如離地球最近的月球，由于沒有大氣的保護(hù)，它的表面無時(shí)無刻不在遭受著（微）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(zhǎng)方式和礦物組合都與地表晶體顯示出了明顯的差異。近期，通過對(duì)嫦娥五號(hào)月壤樣品的細(xì)致研究，中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所何宏平院士團(tuán)隊(duì)首次在月球樣品中發(fā)現(xiàn)了一種奇特的晶體生長(zhǎng)現(xiàn)象，即：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(zhǎng)。
圖1 “蘑菇”生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)示意圖
????為探究這些奇特的晶體生長(zhǎng)現(xiàn)象的機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)采用原位聚焦離子束制樣方法從嫦娥五號(hào)月壤角礫巖碎屑中提取樣品，使用裝載了電子能量損失譜探測(cè)系統(tǒng)的高分辨透射電鏡對(duì)樣品進(jìn)行了微-納米級(jí)礦物學(xué)研究。在樣品中觀察到了一種罕見的由鉻鐵礦-隕硫鐵納米球-零價(jià)鐵納米球組成的枝晶結(jié)構(gòu)，它們?nèi)缒⒐揭话銖拈蠙焓砻娲怪鄙煜虿Ａе校ㄈ鐖D1所示）。電鏡下的結(jié)構(gòu)和成分分析揭示了該“蘑菇”結(jié)構(gòu)形成的過程：①碎屑遭受微隕石撞擊，其所含F(xiàn)e2+發(fā)生歧化反應(yīng)，在熔融玻璃中產(chǎn)生納米零價(jià)鐵球（圖2A）、納米硫化鐵球（圖2B）或二者的不混溶復(fù)合體（圖2C），以及少量Fe3+；②含鐵的納米球在高溫下與橄欖石發(fā)生定向附著（圖2D）；③定向附著產(chǎn)生了具有高勢(shì)能的缺陷位點(diǎn)，橄欖石中的Cr3+和玻璃中的Fe2+向缺陷處聚集并結(jié)晶出鉻鐵礦（圖2E-F）；④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(zhǎng)，將納米球向外頂出（圖2G），直到體系能量消耗至無法跨越結(jié)晶的能壘為止。該過程也得到了晶格失配度計(jì)算以及熱力學(xué)模擬計(jì)算的支持。
圖2?“蘑菇”生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)示意圖
????此研究提出了一種新的、發(fā)生在極端非平衡條件下的生長(zhǎng)機(jī)制，該機(jī)制能夠利用原有物相內(nèi)部的雜質(zhì)離子，在原物相之間的非均質(zhì)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，該認(rèn)識(shí)對(duì)現(xiàn)有非經(jīng)典生長(zhǎng)機(jī)制體系起到了重要的補(bǔ)充和開拓作用。考慮到月球表面遭受撞擊的頻率之高，可以想見這種機(jī)制可能在月球風(fēng)化層中廣泛發(fā)生，從而影響月表的礦物組成和元素分布。同時(shí)，此類“蘑菇”結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)還可能作為極端非平衡結(jié)晶的指標(biāo)，并為后續(xù)針對(duì)無大氣天體表面及其他極端條件下的晶體生長(zhǎng)機(jī)制研究提供參考。
????相關(guān)研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《American Mineralogist》2025年第一期，該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金（41921003和42202039）、CAS青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（2021353）、廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目資助（202201010385）和廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2023B122060048）等的聯(lián)合資助。文中圖2G被選為該期刊的本月度代表性圖片。
論文信息：Jiaxin Xi(席佳鑫)?, Yiping Yang(楊宜坪)?, Hongping He(何宏平)*, Haiyang Xian(鮮海洋), Shan Li(李珊), Xiaoju Lin(林梟舉), Jianxi Zhu(朱建喜), H. Henry Teng(滕輝). Mushroom-shaped Growth of Crystals on the Moon[J]. American Mineralogist, 2025, 110(1): 171–180.
原文鏈接：https://doi.org/10.2138/am-2023-9214.
