搜狐科技《思想大爆炸——对话科学家》栏目第147期，对话吉林大学唐敖庆学者－卓越教授、英国皇家化学会会士张伟。
嘉宾简介：
张伟，吉林大学唐敖庆学者－卓越教授、测试科学实验中心主任兼电子显微镜中心主任、英国皇家化学会会士，多次入选科睿唯安“全球高被引科学家榜单”。开发了“电子束为‘墨’、石墨烯当‘纸’”的纳米书写技术。系统研究了月壤样品，首次发现了包括月球正面的天然少层石墨烯与月球背面的天然单壁纳米碳管等纳米碳结构，据此提出了月壤纳米碳的催化形成机制。研究方向为先进材料的电子显微分析、催化和能源材料的表界面化学。
石墨碳的确认主要依赖拉曼光谱和高分辨成像，而单壁碳管的发现则是在已识别碳区域的基础上，通过高分辨电镜成像直接观测到其独特结构。
月球上的碳纳米管普遍更短，而且几乎全部为末端封闭结构。
碳是多功能元素，能以多种纳米形式存在，它既是催化剂，也可以作为催化载体，像单壁碳管，还具有超高强度、高导电性的特点。
出品｜搜狐科技
作者｜周锦童
编辑｜杨 锦
当我们仰望夜空中皎洁的月亮时，或许想象的是环形山、是月海，甚至是荒凉的岩石尘埃。其实，月球上还藏着许多亟待发掘的“碳宝藏”。
继上次吉林大学科研团队在嫦娥五号带回的月壤中发现天然少层石墨烯后，近日又在嫦娥六号月壤样品中发现并确认了天然形成的单壁碳纳米管和石墨碳，这也是国际首次。
这一发现不仅揭示了月球表面“高能物理-化学过程”的精细程度，印证了月球背面地质活动非常活跃，也为研究月球演化史提供了关键数据。目前，该研究已经发表于美国化学会《纳米快报》。
天然单壁碳纳米管和石墨碳从何而来？它能否为未来月球基地建设提供材料线索？带着这些疑问，搜狐科技再次对话了吉林大学张伟教授，听他解读月壤中那些隐匿的“碳密码”。
“火眼金睛”探秘月球天然碳纳米管
张伟首先解释了为什么团队能在月壤中发现天然单壁碳管和石墨碳。
“传统地质学研究者通常更关注矿物等目标，在处理月壤样品时，可能会破坏其中微小、原始的碳结构，而我们是通过多种电镜技术与谱学方法的联用，结合微观原子结构成像与化学成分分析观测到的。”
石墨碳的确认主要依赖拉曼光谱和高分辨成像，而单壁碳管的发现则是在已有碳区域的基础上，通过高分辨电镜成像直接观测到其独特结构的。
张伟还详细介绍了这些技术。高分辨透射电子显微镜可以用于观察材料的原子级晶格结构；高角环形暗场像能提供更直观的非相干原子像，直接显示原子位置；电子能量损失谱不仅能鉴定元素种类，还能精确分析元素的化学价态和成键方式。
而拉曼光谱则是连接宏观性能和微观结构的桥梁，通过探测分子振动来鉴别特定的物质状态，这对碳材料的研究至关重要。
其实，早在1991年，日本科学家饭岛澄男（Sumio Iijima）就首次在透射电镜下发现了碳纳米管，但他发现的是人工电弧放电制备的碳纳米管。而张伟虽然也使用了透射电镜，但是是首次在月壤样品中证实了天然形成的单壁碳纳米管的存在。
在分析嫦娥五号样品时，张伟就曾对搜狐科技表示嫦娥六号样品中很有可能存在天然少层石墨烯或类似物，通过对比发现的确如此。
石墨烯本质上也是石墨的一种特殊形态，只不过，基于目前的数据，六号样品中的石墨缺陷比较多，这可能与月球背面更强烈的微陨石撞击等极端事件有关。
对此，张伟表示：“微陨石撞击提供能量，火山活动也提供能量和载体，太阳风则提供碳源（碳离子），这些因素结合起来，就像是一个‘神奇的造物主’在创作东西，默默催化着特殊碳结构的形成，而透射电镜就如同‘火眼金睛’，能直接观察和确认这些精细的微观结构。”
在“火眼金睛”加持下，张伟的确发现月球上天然形成的碳纳米管与实验室人工合成的碳纳米管在形态上存在着明显差异：月球上的普遍更短，而且几乎全部为末端封闭结构，而通常人工合成的碳纳米管末端也可以是开口的。
“所以你看，不同于地球的氧气环境，月球没有大气保护，处于高度还原状态，大自然这‘造物主’在极端条件下真的具有创造特殊精细材料的独特能力。”张伟感叹道。
为人类找到了分析月球的突破口
可以说，团队通过对嫦娥六号月壤样品的精细分析，发现了碳管更短、石墨缺陷更多等微观证据，为“月球背面地质活动非常活跃”提供了直接的实验证据，也为月球演化模型增添了关键拼图。
“不过，我也要纠正一下，我们只是说月球背面非常活跃，并没有说比正面活跃，通过揭示月球不同区域的物质差异，可以帮我们更好地理解行星的差异性演化历史。”张伟如是说。
继在嫦娥五号样品中发现少层石墨烯后，此次又发现碳纳米管和石墨碳，张伟称碳是整个星际中一个非常关键的元素。
对地球来讲，碳的重要性不言而喻，我们的生命基础、物质循环以及关键的能源都离不开碳。而在月球上发现天然石墨烯与纳米碳管，不仅是材料上的突破，更是为人类找到了一个分析月球的突破口。
“未来在月球以及深空探测中，大家围绕碳材料以及相关领域一定会展开更多、更热的研究，逐渐形成一个庞大的研究体系。”张伟展望道。
谈到这，我们不免发问，这些天然形成的先进碳材料，未来在月球科研站建设、原位资源利用方面有哪些潜在的应用场景呢？
对此，张伟首先讲述了他近日在哈尔滨应邀参加的“月球原位自主智造基础研究创新论坛”的经历。
“其实会上有很多科学家谈到了在月球建房子，实现月球通信等等，我觉得，在畅想遥远的月球基建的同时，我们更应该务实聚焦于如何就地利用月球资源的研究，这样能避免我们从地球运送昂贵材料上去。”
月球上有碳、铁以及矿物资源，张伟称碳资源之所以重要，是因为碳是多功能元素，能以多种纳米形式存在，比如石墨烯、碳管等，它既是催化剂，也可以作为催化载体。
如果我们在月球上找到富含碳的区域，就可以通过催化过程将无用的分子转化为有用的气体或资源，实现原位资源的利用。
此外，像碳管，尤其是单壁碳管，还具有超高强度、高导电性的特点，甚至强度超过了钢铁。
“清华大学的魏飞教授制造出了最长的碳纳米管，说不定以后真的可以像科幻片一样，制造出从月球到地球的通天梯，但想要实现可能还需要长期的努力。”张伟说。
月壤研究的团队
正如研究嫦娥五号月壤样品一样，这项研究也是由张伟、李秀娟研究员和邹猛教授共同完成的。
“我们三个人互相协调、互相支持，可以说是完美的团队。”
“邹老师是月壤使用责任人，也是他领衔申请到的样品，在深空探测领域有影响力。李老师是月壤的保管人和协调人，月壤保管是非常复杂的，李老师对测试流程规划把握得非常精准，我自认为我做不到，我特别佩服她。”张伟笑着讲述道。
而张伟在电子材料、能源催化、纳米材料、结构材料等领域有30年的研究经验，十分擅长用前沿的显微与分析技术对月壤等复杂材料的组分展开一线精细的表征研究，能把极端环境的形成演化机制阐述清楚。
在张伟看来，吉林大学电子显微镜中心是国内高端测试的一个缩影，我们国家很多测试中心的水平都非常强，从硬件尺度上来讲，已经超过国外了。
目前针对这两批月壤样品，基于先进显微表征分析，团队已经发表了七篇研究论文，一方面揭示月球上未曾报道过的新物质形式，另一方面发现一些新现象。
比如近期他们基于学科交叉的理念，成功将材料科学中的经典理论“穿晶断裂”应用于解释月球矿物的损伤机制，而这些基础性的发现有助于打破学科壁垒，深化我们对月球的理解。
“最后，请允许我先卖个关子，目前我们团队还有一项新发现，但还在保密阶段，大家可以期待一下。”张伟如是说。
运营编辑 |曹倩审核｜孟莎莎
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