电子显微技术揭示陨石中碳相的多形态演化及其催化形成机制

研究人员针对陨石中碳相（如金刚石、石墨、朗斯代尔石等）的成因机制争议，利用先进电子显微技术（包括TEM、EELS、CL等）系统研究了5种陨石样本。研究发现FeS/FeNiS纳米晶体可催化金刚石形成，并首次证实朗斯代尔石通过冲击事件由石墨定向转化而来，为天体化学和工业合成提供了新见解。

　　

陨石中隐藏的碳相之谜一直是天体化学领域的焦点。作为太阳系早期演化的"时间胶囊"，陨石中高达7%的碳含量远超其他天体，其中金刚石和朗斯daleite的丰度甚至超过地球岩石。这些特殊碳相的形成机制长期存在争议：是深部高压高温(HPHT)环境的产物？还是陨石母体(UPB)撞击事件的产物？抑或是太阳星云中化学气相沉积(CVD)的结果？不同假说对UPB的尺寸估算差异巨大——从月球大小到火星大小不等，直接关系到对早期太阳系演化的理解。更令人困惑的是，陨石中常同时存在石墨、金刚石、朗斯代尔石等多种碳相，它们之间的结构关联和转化路径尚不明确。

为解决这些问题，国外研究团队在《Carbon Trends》发表了一项突破性研究。他们选取西北非洲(编号NWA)的5块典型陨石样本，通过多尺度电子显微技术揭示了碳相的演化奥秘。研究采用反射光显微镜定位碳相区域，结合电子探针显微分析(EPMA)进行元素分布和化学键分析，利用聚焦离子束(FIB)制备透射电镜(TEM)样品，并通过电子能量损失谱(EELS)、阴极发光(CL)和软X射线发射谱(SXES)等先进表征手段，实现了纳米级分辨率的碳相鉴定。

3.1 微观结构不同的石墨形态
研究发现陨石中存在两种石墨：发育完好的自形石墨（单晶达10 μm）和纳米晶石墨（20-200 nm）。前者呈现典型的折叠和扭折带结构，后者则与金刚石/朗斯代尔石共存。拉曼光谱显示纳米晶石墨具有更强的缺陷峰(D峰)，表明其经历了更强烈的结构破坏。

3.2 含金刚石陨石的特征
TEM揭示金刚石存在两种形态：含FeS包裹体的完整单晶（达20 μm）和被FeS/FeNiS包围的缺陷晶体（约300 nm）。值得注意的是，EELS证实金刚石与相邻石墨无晶体学取向关系，否定了直接冲击转变假说。FeS纳米晶被首次发现嵌入金刚石内部，暗示其可能通过降低石墨-金刚石转变能垒的催化机制形成。

3.3 朗斯代尔石区域分析
通过CL光谱的2.317 eV特征峰和SXES的280 eV σ峰，研究者鉴定出朗斯代尔石的存在。高分辨TEM显示其具有[210]方向与石墨[001]方向的特定取向关系，电子衍射证实其为六方结构。EELS密度图(3.5 g/cm³
)和sp²
键分布图排除了石墨混杂的可能性。在NWA 11755样本中发现的缺陷态朗斯代尔石，其带状衍射花样表明存在立方/六方混合堆垛，可能是冲击转变的中间态。

这项研究系统重建了陨石碳相的演化路径：原始自形石墨在UPB深部变质作用中形成；母体撞击事件首先使石墨转变为朗斯代尔石，保留原始形貌和取向；随着温度压力降低，催化金属(FeS/FeNiS)促使部分区域转化为金刚石，同时生成纳米晶石墨。该发现不仅解决了天体化学领域关于陨石金刚石成因的长期争议，更揭示了金属硫化物在碳相转变中的催化作用，为工业合成超硬材料提供了新思路——通过模拟陨石撞击的P-T条件与催化剂组合，或可开发更高效的金刚石合成工艺。特别值得注意的是，研究建立的CL和SXES指纹图谱为地外样品中朗斯代尔石的鉴定确立了新标准，这对理解太阳系早期极端环境下的物质演化具有里程碑意义。