《Journal of Energy Chemistry》：Precisely sampling single particles of <0.01 mm on the Moon for atomic-level characterization towards energy storage
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基于嫦娥五号月球土壤提出新采样方法，通过非破坏性拉曼光谱识别22个亚10微米碎片中橄榄石、辉石等矿物相，揭示撞击变质与空间风化特征，并建立月球土壤电极材料原位制备框架。
赵振振|张伟|邵文卓|梁青|李秀娟|高世尧|李新阳|杨凯宇|刘明阳|邹萌
教育部汽车材料重点实验室，吉林大学材料科学与工程学院，电子显微镜中心，未来科学国际中心，长白山实验室，长春130012，吉林，中国
摘要
我们提出了一种新的采样方法，用于分析来自嫦娥五号月球土壤的亚10微米级碎片，该方法结合了无损识别、精确操控和多维度表征技术。该方法识别并分类了22个随机采样的微观残留颗粒，这些颗粒在样品处理过程中常常被忽略，但它们作为其母颗粒的载体，保留了其演化历史的信息。对四个代表性颗粒的后续分析揭示了包括聚集体、橄榄石、单斜辉石、斜长石和硫化物在内的矿物相。拉曼光谱的位移和展宽反映了空间风化和撞击变质作用，而斜长石中的原子级晶格膨胀则是由微陨石撞击引起的——这为月球撞击事件提供了直接的微观结构证据。除了其遗传学意义外，所识别的矿物相（如辉石、橄榄石、斜长石）在电化学储能应用方面也展现出巨大的潜力。通过系统地将月球土壤的成分和不同矿物相与其过渡金属含量（如铁、硅）联系起来，本研究为高性能储能电极的原位制造建立了框架。这种综合方法最终使我们能够总结出适用于电极制造的月球土壤中的关键元素和矿物相，明确其纯化途径，并阐明极端月球环境如何影响材料合成和器件性能，从而在微观残留物和功能性宏观应用之间架起了桥梁。
引言
嫦娥五号（CE-5）任务返回的月球样本对于研究月球的晚期火山活动和演化历史具有关键意义[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。与阿波罗和月球样本相比，CE-5月球土壤的特点是颗粒更细小、成分更复杂，并具有独特的撞击变质特征，其中超过95%的颗粒为微米级[6]、[7]。这些样本不仅直接记录了月球表面的演化过程，还可能保存了重要的地质信息，如地幔物质的迁移和太阳风的沉积[8]、[9]、[10]。因此，对单个月球颗粒进行原子级别的结构和化学分析具有重要的科学价值，因为每一颗粒都反映了月球的历史。
迄今为止，对返回样本的研究主要集中在宏观颗粒（1–50微米）上，特别关注其形态、矿物组成、同位素年代学、结构形式和元素分布[11]、[12]、[13]、[14]。由于每个颗粒都是独特的，因此对它们进行单独表征已成为该领域的重要方法[15]、[16]、[17]。然而，在对这些较大月球土壤颗粒进行采样、转移和分析的关键过程中，存在一个常被忽视的问题：即使采用了非接触式测量和高精度处理协议，由于粘附和静电效应，任何暴露表面上仍会残留微米级碎片（约1–20微米）[18]、[19]。这些次级碎片与其母颗粒在成分上相同，本质上包含了风化的表面信息，因此保留了关键的遗传和演化信息[20]、[21]。这些碎片的起源与主要的月球尘埃（<20微米）不同，后者是一种复杂的混合物[22]、[23]。
对残留微粒的常规处理通常将它们归类为“背景污染”或“实验损失”，这种做法存在两个主要限制[24]、[25]。从样本利用的角度来看，月球土壤样本是一种不可再生且珍贵的资源，每个微粒都具有独特的科学价值[26]、[27]。从科学角度来看，这些残留物是样品收集、运输和处理过程中机械风化（如脆性断裂和表面剥落）的直接产物[28]、[29]。它们的成分和形成机制包含了评估月球土壤物理性质、空间风化过程以及潜在交叉污染风险的关键信息[30]、[31]。此外，对这些残留微粒的采样和分析面临双重技术挑战。
1) 它们的尺寸小于10微米，肉眼无法看见，这使得精确定位变得复杂，传统的微观操作工具（如微针或毛细管）常常会导致颗粒损伤或污染[11]、[32]。2) 缺乏一个包含“预表征、靶向提取和后续深入分析”的综合工作流程，阻碍了残留碎片与其母颗粒之间的材料和性质关联的建立。此外，在月球上进行原位资源利用（ISRU）是实现深空探索和月球基地长期自主运行的关键技术前沿[34]、[35]。月球土壤富含钛铁矿、辉石和橄榄石等矿物，并含有氧化还原活性过渡金属元素（如铁、钛和镁），为电极组件的原位制造提供了独特的材料基础[35]、[36]。然而，极端的月球环境——包括超高真空、剧烈温度波动、普遍存在的尘埃、宇宙射线辐照和低重力——对电极材料的结构完整性、离子传输动力学和界面稳定性提出了重大挑战[37]、[38]。这些因素也严重影响了关键制备过程的可行性和效率，包括原位掺杂改性及烧结[39]。因此，当前月球原位储能研究中的一个核心科学挑战在于如何有效利用月球土壤的固有资源优势，同时减轻极端环境对电化学性能的影响。
在此，我们系统地研究了月球原位资源在电化学储能中的应用。利用CE-5月球土壤样本，我们建立了一种针对亚10微米颗粒的系统分析方案，结合了微观定位、无损识别、精确操控和多模态表征技术。所有22个残留颗粒均通过共聚焦微拉曼光谱原位识别和分类。使用具有微粘附能力的“睫毛”探针，我们实现了对所有目标颗粒的无损捕获、转移和单颗粒树脂封装。这种多尺度、定位特定的分析策略为后续对相同颗粒的精确表征奠定了基础。超薄切片结合扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析揭示了它们的纳米级结构特征和元素分布，从而实现了成分、结构和元素的多维关联分析。基于这些发现，我们系统评估了月球土壤中关键矿物的丰度和电化学活性，确定了具有电极应用潜力的组分，并概述了相应的提取方法和处理流程。为了应对月球上的环境挑战——包括极端真空、剧烈温度波动、月球尘埃污染和强烈辐射——我们进一步分析了电极材料直接应用面临的关键问题，并提出了相应的技术对策。这项工作为月球土壤资源的ISRU在构建电化学储能系统提供了系统的理论基础和技术支持。
实验方法
使用奥林巴斯DSX1000光学数字显微镜、徕卡TXP、徕卡EM UC7、奥林巴斯BX53M以及智能手机相机记录了样品的形态，并获取了光学显微照片。使用配备能量色散X射线光谱仪（EDS，OXFORD x-act）的扫描电子显微镜（SEM）观察了样品的形态和元素分布。激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）成像是在OLS 5100 LSCM上进行的。微观结构和成分分析也是在此平台上完成的
结果与讨论
与实验消耗品损失或样品降解/污染不同，操作和环境损失（表S1）是整个样品处理工作流程中固有的系统性效率低下问题，是技术优化的最佳目标。图1a展示了CE-5月球土壤样本中大颗粒的显微图像。在仔细转移或操作这个大约600微米的大颗粒后，仍有微量残留物附着在基底上
结论
通过结合微观识别、无损分类、微操控和多模态表征，我们建立了一个分析框架，利用残留颗粒作为信息载体，高效利用了亚10微米的月球样本。我们开发了一种微粘附采样技术，克服了损失瓶颈，实现了对局部空间风化和撞击历史的精确检测，而不会受到整体信号干扰。我们评估了月球矿物
作者贡献声明
赵振振：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。张伟：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、项目管理、方法论、正式分析、数据管理、概念化。邵文卓：方法论、研究、正式分析。梁青：方法论、研究、正式分析。李秀娟：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、项目
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢中国国家航天局提供宝贵的嫦娥五号样本（CE5C0000YJYX101、CE5C0300），以及月球探测与空间工程中心和深空探测实验室的巨大支持。来自上海徕卡微系统有限公司的庞一轩、鲍善元、李德军，苏州中良生物化学有限公司的赵双双，沈阳远捷光学科技有限公司的高的艳、田文强、杨海峰
赵振振是吉林大学材料科学与工程学院的博士后研究员。她的研究专注于基于金属-有机框架（MOF）的电极在水性电池中的设计和应用，特别是原子结构的精确调控和表面/界面行为的阐明。她已在包括《Angew. Chem. Int. Ed.》、《Nano Lett.》、《Energy Environ. Mater》和《J Energy Chem》等期刊上发表了五篇第一作者论文。
