由陨石和微陨石撞击驱动的太空风化过程持续改造月表物质的化学成分与物质结构，揭示这一机制对理解太空环境中的物质-能量相互作用至关重要，也为未来地外资源勘探、航天器及地外基地的外壳材料设计提供理论参考。近日，william威廉中文官网周继寒课题组联合地球与空间学院沈冰课题组、中科院南京地质古生物研究所殷宗军课题组，在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表题为“3D insights into the multi-origins of nanophase Fe⁰ in the Moon surface”的研究论文。该研究与团队此前在《地球物理研究杂志：行星》（Journal of Geophysical Research: Planets）发表的论文“Conjugated silicate nanodroplets in lunar regolith: Unraveling impact‐driven phase separation”的论文聚焦同一主题，利用球差校正透射电镜、电子三维重构（ET）和电子能量损失谱（EELS）等先进成像与谱学技术，对嫦娥五号月壤颗粒表层的撞击诱导硅质液相不混溶结构和铁纳米颗粒分层结构开展多维结构解析与成原推断，揭示了撞击条件下月表物质的复杂演化机制。

研究者在嫦娥五号月壤撞击玻璃内发现了多种撞击体残余物、矿物雏晶以及丰富的硅酸盐不混熔结构。研究者在嫦娥五号月壤的撞击玻璃内发现了多种撞击体残余物、矿物雏晶以及丰富的硅酸盐不混熔结构。通过纳米尺度的精细分析，他们揭示了在月壤颗粒表面由撞击诱导形成的化学成分各异的非晶态硅酸盐纳米液滴，包括分散于富硅、富钾玻璃基质中的富铁液滴，以及相反地分散于富铁基质中的富硅液滴（图1）。这些纳米液滴均具有无序的原子排列，由直径1至5纳米的硅酸盐团簇经不完全烧结聚合而成，其界面形态精致，并呈现出部分熟化的团聚体特征。研究表明，这些纳米液滴的形成可归因于局部化学不均一性所触发的亚稳态液相不混溶，并伴以快速淬冷过程。

图1. 撞击玻璃中富Si与富Fe硅酸盐纳米液滴的化学成分和原子结构表征结果。

铁纳米颗粒是太空风化过程中另一类标志性产物，也是导致水星、月球和小行星等无大气天体反射光谱发生改变的关键因素，但其形成机制长期存在争议。研究团队利用电子三维重构与高分辨谱学技术，在嫦娥五号月壤的撞击玻璃内首次发现了具有明显分层分布特征的铁纳米颗粒（图2）。三维形貌重构结果清晰地展示了这些颗粒的空间分布，不同层位中，颗粒的尺寸、数密度以及周围玻璃基质的化学成分与铁的价态均呈现显著差异，显示出清晰的纳米尺度成分梯度结构。定量统计显示局部区域的铁纳米颗粒含量高达7.1 wt%，远高于嫦娥五号着陆点月壤的平均值0.46 wt%，证实了铁纳米颗粒在撞击玻璃中的高度富集。

图2. 撞击玻璃电子三维重构结果。

为厘清这些颗粒的形成机制，研究者设计了能够描述电子来源与流动的参数ξ，并结合三维重构与谱学数据对不同层位的形成过程进行判别。结果显示，撞击玻璃内的球形铁纳米颗粒主要形成于撞击高温高压下Fe²⁺的歧化反应，其尺寸与数量受玻璃基质成分的调控；不规则铁纳米颗粒则源于高温条件下铁硫化物的分解反应；而靠近玻璃表层的区域，太阳风离子注入进一步促进了铁纳米颗粒的熟化与生长，发挥了重要的后期改造作用（图3、图4）。这些发现首次在极小空间尺度内揭示了多种铁纳米颗粒形成机制的共存，为理解无大气天体的光谱演化及未来月表铁资源的评估与利用提供了关键科学依据。

图3. 撞击玻璃电子三维重构模型的结构分析结果，包括铁纳米颗粒的尺寸、空间分布以及针尖内不同位置的Fe含量和电子流动参数ξ。

图4. 铁纳米颗粒分层结构的形成机制解析。

综上所述，研究团队借助先进的多维度重构与谱学表征技术，实现了对嫦娥五号月壤中撞击玻璃和纳米铁颗粒微纳结构的多尺度解析，系统揭示了撞击相关太空风化过程中月壤结构与成分的演化规律。该工作不仅为理解无大气天体光谱演化提供了纳米尺度的关键证据，也为未来月表铁资源的评估与利用奠定了重要的科学基础。

上述研究论文的第一作者为william威廉中文官网2022级博士生戴以恒，共同通讯作者为william威廉中文官网周继寒研究员、北京大学地球与空间科学学院沈冰教授以及中国科学院南京地质古生物研究所殷宗军研究员。上述工作得到北京大学地外样品研究中心的支持，国家自然科学基金、北京自然科学基金、国家重点研发计划的资助，同时得到了北京大学电子显微镜实验室、北京大学分析测试中心的支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2528977123

https://doi.org/10.1029/2025JE009028

排版：高杨
审核：牛林，刘志博