硫化物矿物记录太阳系天体撞击历史：微陨石轰击形成铁镍晶须的机制研究

本研究通过透射电子显微镜(TEM)原位加热实验模拟微陨石轰击，首次证实硫化物矿物表面铁镍晶须(Fe-whiskers)可由撞击事件形成，揭示了硫化物作为太阳系无大气天体撞击历史记录者的独特价值，为解释小行星表面硫耗竭现象及未来Psyche等金属富集天体的探测数据提供了新视角。

　　

在探索太阳系演化的过程中，天体表面的空间风化(Space weathering)机制一直是行星科学的核心问题。传统认知认为，无大气天体如月球和小行星表面的矿物变化主要源于太阳风辐照，但硫化物矿物表面出现的铁镍晶须(Fe-whiskers)成因始终成谜。这些从Itokawa小行星和月球样品中发现的微米级丝状结构，此前被归因于太阳高能粒子作用，但其形成机制缺乏实验证据。更关键的是，硫化物作为早期太阳系物质演化的敏感指示剂，其表面硫(S)元素耗竭现象与晶须形成的关联性，直接影响着对小行星成分遥感数据的解读。

美国亚利桑那大学Kuiper实验室的Michelle S. Thompson团队在《Nature Communications》发表的研究，通过创新性实验设计破解了这一谜题。研究人员采用透射电子显微镜(TEM)耦合微机电系统(MEMS)芯片加热技术，对天然镍黄铁矿([Fe,Ni]₉S₈)进行毫秒级高温脉冲(1100℃)模拟微陨石撞击，首次在实验室条件下复现了与太空样品完全一致的铁镍晶须结构。

关键技术方法包括：(1) MEMS芯片原位加热系统实现毫秒级温度脉冲模拟撞击瞬态热效应；(2) 高分辨透射电镜(HRTEM)结合选区电子衍射(SAED)解析晶须微观结构；(3) 聚焦离子束(FIB)制备横截面样品；(4) 能量色散X射线谱(EDS)定量分析元素分布。实验选用镍黄铁矿粉末作为模型体系，通过对比单次/多次热脉冲效应建立演化模型。

研究结果
原位加热实验
未处理的镍黄铁矿颗粒呈棱角状(图1a)，经单次1100℃热脉冲后转变为球形并产生长达3μm的表面晶须(图1b)。EDS证实晶须完全由Fe、Ni组成且硫耗尽(图1c-e)。较大颗粒(>4μm)晶须密度更高，形态包括条纹状钝端和尖锐锥形(图2c,d,f)，与Itokawa样品特征高度吻合。二次加热后晶须退化为脊状结构(图2b,g)，但保留金属成分特征(图2i-k)。

晶须微观结构与化学组成
FIB截面显示晶须从硫耗尽外壳(厚度<500nm)异质外延生长(图3a)。HRTEM揭示其由非晶基质穿插纳米晶带组成(图4g)，晶带间距1.75?对应镍纹石(awaruite, Ni_2-3Fe)的(002)晶面。基底界面存在大量堆垛缺陷，元素线扫描显示过渡区硫含量从47at%骤降至0，而Ni在晶须基部富集达75at%(图4f)。

讨论与结论
该研究提出热致应力模型解释晶须成因(图5)：微陨石撞击使硫化物瞬时熔融，硫挥发形成Fe-Ni富集外壳；外壳淬火收缩与熔体核心热膨胀产生压缩应力，驱动金属元素通过缺陷通道外延生长释放应力。该机制完美解释了：(1) 晶须的择优Ni富集源于镍黄铁矿高温膨胀时八面体位点优先容纳Fe；(2) 多次撞击导致晶须退化符合小行星表面演化特征；(3) 硫耗竭梯度与遥感观测数据一致。

这项研究革新了对空间风化机制的认知，证实微陨石撞击与太阳风辐照共同塑造天体表面特征。硫化物作为"撞击温度计"的新角色，为解读Psyche等金属天体探测数据提供了关键标尺，其晶须形态特征还可能成为评估天体表面暴露年龄的新指标。随着各国小行星采样任务推进，该发现将助力重建太阳系撞击历史与物质演化历程。