科学家在嫦娥5号采集的月壤样本中发现了一种“奇异物质”——石墨烯。

NASA

中国科学家在嫦娥5号采集的月壤样本中发现了一种“奇异物质”——石墨烯。这种碳的二维“同素异形体”材料具有卓越的物理特性，在电子学、能源存储、传感和生物医学等众多领域有巨大的潜在应用价值。但石墨烯通常只能够通过人工的方式制备。在月球的自然环境中发现石墨烯，让月球的起源更显神秘。

月球的起源至今尚存争议，理论层出不穷。最主流的观点认为，地球在大约45亿年前被一个火星般大的天体撞击，产生的碎片在环地球轨道上凝聚，最终形成了月球。在那个年代，这样的大冲撞在地球所在的内太阳系确实并不鲜见。

如果是这样，那么月球的成分应该和地球相似。但人们发现，与地球相比，月球缺乏易挥发元素，比如碳。

科学家对此的解释是，可能是撞击产生的巨大热量驱散了大部分的易挥发元素。而阿波罗飞船带回的月球样本显示，月球和地球有着相似的同位素构成，因此人们更加倾向于认可大撞击假说。

但嫦娥5号月壤样本中的石墨烯，连同科学家新近发现月球会产生碳离子流，表明月球其实含有原生的碳。这对大撞击假说是一个挑战。

研究人员表示，碳是理解行星天体形成演化方式的基本元素，其形态和结构是由天体的形成过程决定的。尤其是由单层碳原子构成的天然石墨烯，它的成分和结构特点，能够为科学家提供与其母体地质演变有关的重要信息。

研究人员使用包括扫描电子显微镜和拉曼光谱在内的多种识别技术，在一粒长约2.9毫米，宽约1.6毫米的橄榄状月壤样本内发现了石墨烯。

拉曼光谱是一种光散射技术。通过这种技术，科学家能够对分子键的振动、自旋和低频模式进行研究，揭示分子的结构和成分。扫描电子显微镜则能通过聚焦电子束，创建高分辨率的物质表面影像，测定元素成分。在这些工具的帮助下，科学家识别出了镶嵌在月壤样本富碳部分之内的石墨烯片，这些石墨烯片由3至7层结构组成。

研究人员还发现，这些石墨烯片形成了一种壳状结构，将一些复杂的化合物包裹在内。这表明，这些石墨烯片不是剥离出来的，而是通过自下而上的合成过程形成的。

除了石墨烯，研究人员还在样本中发现了一种仅存在于含碳部分的含铁化合物。这表明月球上的含铁矿物，如橄榄石和辉石，可能在催化碳转化成石墨烯的过程中扮演了某种角色。而转化所需的能量可能来自火山活动、太阳风或陨石撞击，它们能够为转化提供高温高压环境。

参考Discovery of natural few-layer graphene on the Moonhttps://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwae211/7695326