科研动态

地化所揭示月球表面太空风化可形成具有光催化特性的Ti纳米矿物

发布时间:2024-03-27

太空风化是月球及太阳系其它无大气天体表面的改造过程之一,包括微陨石轰击、太阳风离子注入、高能宇宙射线作用等,其中月球表面的微陨石轰击环境具有:粒径小(~1–200 μm)、速度快(>15–20 km/s)、通量大(~500–2000 t/y)等特点。高速微陨石轰击月壤可通过高温熔融、破碎、气化、沉积、胶结等机制改造月壤的物质组成、成分、光谱、物理性质等。由于月表物质组成多样、微陨石轰击过程复杂、轰击产物不稳定等多因素的耦合影响,关于月球表面微陨石轰击的改造机制及其效应(如:月壤中过度金属Ti元素受到微陨石轰击引起的物相、价态、同位素组成、月壤特性等变化机理)认识不完善、甚至存在争议。 

   

  1 月壤微陨石撞击坑中的Ti纳米矿物(左图为假彩色图,蓝色区域为撞击溅射物) 

中国科学院地球化学研究所联合澳门科技大学和广东工业大学,通过对嫦娥五号月壤颗粒开展研究,在月壤玻璃珠表面微陨石撞击坑中发现一系列含Ti的蒸发沉积颗粒,TEM分析结果显示这些含Ti颗粒为金红石(TiO2)、三方结构Ti2OTrigonal-Ti2O)和三斜结构Ti2OTriclinic-Ti2O3Ti纳米矿物(图1)。其中,三方Ti2O和三斜Ti2O两种物相之前尚未在天然地质样品中被发现,而在材料学领域,Ti2O是一种可在实验室内制备的光催化薄膜材料。研究揭示了月壤中这些Ti纳米矿物的成因过程:高速微陨石轰击月表钛铁矿颗粒,形成FeTiO等的复杂离子环境,随后Ti4+Ti1+O2-结合形成纳米级的(<300 μm)金红石(TiO2)、三方Ti2O和三斜Ti2O颗粒(图2)。 

  2 月壤中Ti纳米矿物的微陨石轰击成因过程示意图 

研究结果完善了对月球表面太空风化过程的认识,也为理解太阳系其他无大气天体(水星、小行星等)表面的空间风化过程提供线索,主要科学意义包括: 

1)新发现:发现天然产出的三方Ti2O和三斜Ti2O两种纳米新矿物相,这是月球样品中发现的第七、第八种月球新矿物(图3)。 

2)新证据:获得月球表面微陨石轰击对Ti氧化物(钛铁矿等)改造过程及效应的矿物学证据,发现的Ti纳米矿物为之前未识别(或被忽略)的太空风化产物,完善了我们月球表面太空风化作用过程的理解。 

3)新观点:由于金红石(TiO2)和Ti2O是有效的天然光催化物质,所以研究提出了太空风化(微陨石撞击)可以改变月壤光催化特性的新观点,也提出具有光催化特性的金红石(TiO2)和Ti2O存在可能会影响太阳系无大气天体(碳质小行星等)表面有机质的保存。 

  3 月球返回样品中相继发现的新矿物相(本研究报道了第七、第八种月球新矿物) 

该工作近期在《Nature Astronomy》行星科学期刊上刊载,这是月球地质、月表空间环境、TEM分析技术开展交叉研究的成果。研究工作得到了国家重点研发计划项目、中国科学院先导专项、国家自然科学基金项目等项目的资助。 

论文信息:Zeng, X. (曾小家)#, Wu, Y. (吴焱学)#, Yu, W. (于雯), Bing Mo (莫冰), Wen, Y. (文愿运), Zhao, X. (赵小媚), Li, X. (李雄耀)*, Zhang, X. (张小平)*, Liu, J. (刘建忠)* (2024). Unusual Ti minerals on the Moon produced by space weathering. Nature Astronomy. https://doi.org/10.1038/s41550-024-02229-4 

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41550-024-02229-4 

                                             (增小家 供稿) 


附件下载: