2020年12月17日，嫦娥五号完成中国首次地外天体采样，从月球带回1731克月壤。中国科学家对嫦娥五号样品的研究刷新了人类对月球演化的认知。

嫦娥五号回家带回来珍贵的“月球土特产”，是继美苏采样后40多年来，人类再次成功获取的月球样品，选取的是全新的采样区域，将为科学家了解月球的完整历史做出贡献。目前世界上仅美国、前苏联、中国成功完成了月球采样返回。

从科学艺术视角呈现月壤之美

中科院地质与地球物理研究所研究员杨蔚说：“月壤几乎覆盖了整个月球表面，它就像是历史书，月壤中每一粒尘埃都能讲述那个星球上曾经发生的故事。但月壤比发丝还细小，不借助先进的显微设备根本看不清。”

杨蔚联合来自中科院计算技术研究所的专家以及中央美术学院的艺术家，利用显微成像和摄影、图像融合和处理、三维重建和虚拟现实技术等，从科学和艺术的视角呈现月壤之美。

技术人员用355微米孔径的筛子，从获得的月壤样品中筛出较大的146个颗粒，给每个颗粒编上号；显微摄影专家把沉重的器材搬到科学家的实验室；艺术家指导如何在拍照时打光，如何为照片调色；科学家琢磨如何把微小的月尘固定住，营造适合的拍摄环境。

他们给月壤颗粒做了高清CT，根据内部结构为它们分类；又利用景深合成显微摄影技术，给每个颗粒都拍了高清照片。为了达到展出的效果，每一颗颗粒都要在电子显微镜下分别拍几百张局部照再拼合起来。

在月壤的微观世界里，杨蔚见到一颗直径只有0.5毫米的圆圆的玻璃珠，由于它的反光太强非常难拍，玻璃珠的表面映出镜头的影像，最后拍出的照片像一只带着瞳孔的圆眼睛，惊讶地望着这个世界。

那些来自月球的尘埃太小了，一不小心就会在地球的空气中飞走。杨蔚想了很多办法将它们固定住，一开始想用胶带粘，又怕黏性太强之后取不下来，最后使用静电吸附在盘子上。

还原月壤颗粒在月球本来的样子

杨蔚说，很多月壤的独特现象他以前只在文献中读过，从未亲眼见过。比如，与地球土壤不同，月壤里有很大一部分是玻璃。由于地球上有大气，小陨石会在大气中燃尽无法落到地面。但在没有大气的月球，细小的陨石以高速撞击月面，在高温的作用下使得微米尺度的局部发生了熔化，再与其他细小的月壤颗粒粘连成各种奇形怪状的黏结物。在他拍摄的月尘中就有一粒形态酷似宠物小狗。

在一种名为正交偏光显微图像中，人们能看到月壤颗粒中矿物形成色彩斑斓的图案，有花、有蝴蝶、有星星……

“这些色彩是由于光的干涉造成的，这是鉴定矿物的常用方法，尽管现在已经逐步被电镜技术取代，但它呈现出月壤美丽的一面。”杨蔚说。

在高清CT和显微摄影的基础上，计算机专家制作了月壤颗粒的三维重建，又模拟了嫦娥五号着陆区正午时分太阳光强度和角度，呈现出这些月壤颗粒还在月球原地本来的样子。

对重建月壤三维模型进行艺术化展示

中科院计算技术研究所副研究员高林说，月壤分析和三维重建是个未知领域，能够参与探索这一未知领域是令人激动的。“我们对重建的月壤三维模型进行艺术化展示，结合VR/AR技术，让普通民众能通过手机或电脑与月壤颗粒互动，感受月壤的美丽。”

这些成果今年9月10日在中央美术学院揭幕的“阅壤——月壤科研成果主题艺术展”上与世人见面。

中央美院教师王沂说， “这种呈现从视觉上有一种‘尽精微，致广大’的感受，不足发丝粗细的月壤颗粒竟然蕴含着这么丰富的万千世界。而透过表象看是它背后蕴藏着艺术与科技融合的无限可能。这次的月壤呈现尝试将前沿的科学内容借用艺术的思维让大众触手可及，在体验宇宙奥秘的同时伴随着对大众审美感知的培育。”

背景介绍

探月之路

人类对于月球的探索早在1959年就已经开始了。1959年1月，由苏联发射的“月球1号”，脱离地球引力，飞向了月球。虽然最终没有实现撞击月球的目标，但是成为了人类历史上发射成功的第一个空间探测器。

人类真正首次踏上月球表面直到1969年7月才实现，由美国的“阿波罗11号”搭载着三位航天员，顺利抵达了月球表面，实现人类第一次登月并开展月面活动任务。我国的探月工程正式立项于2004年，虽然时间较其它发达国家晚，但却取得了不俗的成就。

其中，数“嫦娥三号”最为突出，其不仅刷新了在月球上工作最久的世界纪录，并且此次采集的数据产生了丰富的科研成果，得到了世界航天界的一致认可。而此次的“嫦娥五号”经历了十年的沉淀，利用中国自主研发的技术，带回的全新的月壤，更是为中国的探月工程添上了浓墨重彩的一笔，并画上了圆满的句号。

综合新华社、瞭望、中国科学报、光明网消息

延伸阅读

我国科学家发现嫦娥五号月壤矿物中存在高含量的水

近日，中科院比较行星学卓越创新中心成员、中科院地球化学研究所唐红、李雄耀团队，针对嫦娥五号月壤样品开展研究，通过红外光谱和纳米离子探针分析，发现嫦娥五号矿物表层中存在大量的太阳风成因水。该研究证实了月表矿物是水的重要“储库”，为月表中纬度地区水的分布提供了重要参考。相关研究成果发表于《自然—通讯》。

之前的空间探测活动中，红外光谱仪均探测到月表广泛分布太阳风成因水。但人们对月表不同矿物中太阳风成因水的形成和保存特征认识不足，需要结合月球样品开展深入分析。

中国嫦娥五号任务在月球风暴洋东北部采集了1.731千克月壤样品，该采样点纬度高于以往别国任务的采样点。此外，同位素定年结果表明嫦娥五号样品年龄约为20亿年，是目前获得的最年轻的月球样品。辉石、斜长石和橄榄石作为嫦娥五号月壤中的主要组成物质，是探究太阳风成因水储量的最佳载体。

研究团队针对嫦娥五号月壤样品中的辉石、橄榄石和斜长石矿物开展研究，剖析了不同矿物中水的成因、含量与赋存状态，并由此评估了嫦娥五号月壤的水含量以及月表中纬度地区的水分布。研究团队估算出太阳风质子注入为嫦娥五号月壤贡献的水含量至少为170ppm。这一数值显著高于月球内部水，因而研究认为太阳风质子注入是嫦娥五号地区月壤中水的主要来源。

中国学者发现嫦娥五号月壤可催化生产氧气和燃料

今年5月，南京大学邹志刚院士、姚颖方教授团队与多所高校、科研院所合作，通过研究0.2克月壤样本，发现其中一些成分可作为催化剂，在太阳光作用下，将水和二氧化碳转化为氧气和燃料。

基于这一发现，研究人员提出，未来可以利用月球自身资源建设月球基地，支持深空探测、研究和旅行。

这项研究由南京大学、中国空间技术研究院、香港中文大学（深圳）、中国科学技术大学合作完成。相关成果发表在国际学术期刊《焦耳》上。

月球没有土壤，最初的月球只有岩石，现在的月壤是太阳风暴轰击月球表面，直接将月球的岩石“风化”，产生了月球的土壤。

据论文第一作者、南京大学教授姚颖方介绍，2021年以来，作为中国空间技术研究院联合研究团队成员，南京大学团队对1克月壤开展了研究。此次研究人员采用机器学习等研究方法，详细分析了其中0.2克样本的结构组成。

“在本研究中，我们从材料学角度，对月壤进行详细的矿物分析，发现了24种主要矿物。”姚颖方表示，“嫦娥五号月壤样本主要来自月球表面的玄武岩，富含铁、钛等元素，而这些是人工光合成中常用的催化剂成分。”

研究人员将月壤用作催化剂，参与光伏电解水、光催化水分解、光催化二氧化碳还原、光热催化二氧化碳加氢等4项反应。结果显示，在光伏电解水和光热催化二氧化碳加氢反应中，月壤样本表现出优于地球玄武岩的催化性能。

“这些反应以水和二氧化碳为原料，在模拟太阳光的照射下，生成氧气、氢气、甲烷和甲醇。”姚颖方介绍，“其中，氧气是人类赖以生存的资源，氢气和甲烷是火箭推进剂的重要组成部分，甲醇则是重要的化工原料。”

“或许我们以后能够在月球建设一座小型化工厂。”姚颖方告诉记者，此次研究旨在考察月壤能否被资源化利用。“如果我们能够在月球上就地取材，将月球自身资源以及人体代谢废物转化为资源和能源，就可以减小载人航天的成本。”

“但是与地球样本相比，嫦娥五号月壤样本的催化性能高出一个数量级，而且表现出更好的选择性。”姚颖方表示，所谓“选择性”是指催化反应产物的专一性。“月壤的催化产物只有甲烷和甲醇两种物质。用地球上的玄武岩屑做实验，催化产物也有少量甲烷和甲醇，但绝大部分是一氧化碳。虽然一氧化碳也可燃，但因为它的毒性，我们还是不希望在航空航天活动中见到它。”

为什么月球表面和地球表面的玄武岩屑不一样？研究人员推测，太阳风数以几十亿年计的“吹拂”发挥了作用，尤其是太阳风带有的氢、氦等元素“改造”了月壤，后续研究正在进行中。

中国发现月球新矿物命名为“嫦娥石”

9月9日，国家航天局、国家原子能机构联合发布嫦娥五号最新科学成果：中国科学家首次在月球上发现新矿物，并命名为“嫦娥石”。该矿物是人类在月球上发现的第六种新矿物，我国成为世界上第三个在月球发现新矿物的国家。