当2020年11月，嫦娥五号带着月壤样本返回地球的那一刻，也为古老中国带一点悲情色彩的嫦娥奔月的故事注入一个全新的、圆满的结局。
从有限又珍贵的月壤中尽可能获得最多的信息，是科学家们面临的重要挑战。而从最近公布的月壤分析流程中，我们可以看到，全程共分六个步骤：从开始制样到初步分析，再到表面综合分析、微区分析，最后是微切割和综合各种仪器进行化学形貌、结构、元素同位素等多方面分析，面面俱到，严谨细微到了极致境界。
科学家们对于月壤分析的思路基本一致，都是按照“先无损，后微损”、“先单颗粒，后微纳米尺度，最后原子水平”、“先侧重表面，后开展内部结构”的顺序来的，将现有的多种显微学和显微谱学技术进行各种排列组很，在同一个样品下获得不同维度的多种信息。
月球化学的研究技术手段有哪些？X光在其中到底起到了哪些作用？小编已经带您了解了两种月壤元素分析的常用技术，X射线三维显微技术和X射线能谱分析，本次我们来了解一下可以说是最常见也最基本的X射线衍射技术。
随着月壤来到地球，去年我们认识了一种新型矿物——嫦娥石。
嫦娥石是国家航天局和国家原子能机构共同发布的科研成果，其命名获得国际矿物协会新矿物分类及命名委员会批准，带有中国人对月亮的浪漫想象和情怀。
分析月壤简直就像是开盲盒，总是带给我们新的惊喜，在发现这些宝藏的过程中，X射线衍射仪起到了决定性作用。
比如嫦娥石的发现过程，拿到月壤后，科学家通过各种技术手段，对月球土壤的样品进行了研究与成分分析。再从14 万份月壤样品的微小颗粒之中，剥离出直径 10 微米的单晶颗粒样品，并成功破译出该晶体的结构，最终展出出嫦娥石的晶体图，其过程漫长而曲折，但X射线衍射仪功不可没。
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X射线衍射仪可以告诉我们什么？
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X射线衍射仪是一种研究物质内部微观结构的仪器，可实现矿物相的定性、定量和晶粒尺寸等物理量的分析测定，将矿物相种类、含量和物质晶体结构通通告诉您。
x射线的波长和晶体内部原子面之间的间距相近，晶体可以作为X射线的空间衍射光栅，即一束X射线照射到物体上时，受到物体中原子的散射，每个原子都产生散射波，这些波互相干涉，结果就产生衍射。
衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。分析衍射结果，便可获得晶体结构。
1913年，英国物理学家布拉格父子(W.H.Bragg，W.L.Bragg)成功的测定了NaCl，KCl等晶体结构，还提出了作为晶体衍射基础的著名公式——布拉格方程：2dsinθ=nλ。
对于晶体材料，当待测晶体与入射束呈不同角度时，那些满足布拉格衍射的晶面就会被检测出来，体现在XRD图谱上就是具有不同的衍射强度的衍射峰。对于非晶体材料，由于其结构不存在晶体结构中原子排列的长程有序，只是在几个原子范围内存在着短程有序，故非晶体材料的XRD图谱为一些漫散射馒头峰。
因为布拉格方程的创立，标志着X射线晶体学理论及其分析方法的确立，布拉格父子也因此获得诺贝尔物理学奖，而后才有了X射线衍射仪的诞生。
X射线衍射仪利用衍射原理，可以精确测定物质的晶体结构，织构及应力，精确的进行物相分析，定性分析，定量分析。广泛应用于冶金，石油，化工，科研，航空航天，教学，材料生产等领域。
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升级后的原位微区X射线衍射技术
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近年来，随着X射线衍射仪的光路设计及光束聚焦技术的改进，以及大尺寸高灵敏度X光子成像板的应用，诞生了X射线微区衍射仪，使在光薄片上进行微细分散矿物晶体的原位衍射实验成为可能。
这次月壤分析，嫦娥石的发现团队是从14万份月壤样品的微小颗粒当中，剥离出10微米的单晶颗粒样品，并且成功破译出嫦娥石的晶体结构，其采用的就是原位微区X射线衍射技术。
原位微区X射线衍射技术(In-situ Micro-XRD)具有无损、准确、制样灵活和空间分辨率高等优点，非常适合珍贵地外样品(如月壤)的分析研究。
在《In-situ Micro-XRD Methods for Identifying Glass and Minerals in Extraterrestrial Samples(原位微区XRD鉴定地外样品中玻璃和矿物)》一文中，中国科学院广州地球化学研究所马灵涯团队就基于Rigaku D/MAX RAPID-V微区衍射技术对包括月壤样品集合体、似单晶颗粒及制靶样品在内的多种形态的月壤样品进行了原位分析，探究不同类型样品最佳的制样和测试方法，并对大量测试结果进行归类分析和总结。
他们发现在嫦娥五号月壤中非晶物质与辉石、长石等矿物广泛共生，且玻璃质以覆层或基质的形式充填于矿物碎屑之间。认为月壤样品中的玻璃可能是在月球经历的频繁和强烈的撞击事件中，由冲击变质熔融或蒸发沉积等过程产生。
经过晶体原位分析后，月壤样品颗粒不同的有序度和玻璃含量，可作为推断撞击中心或火山喷发中心的证据之一。
·图为两种微区衍射放样方法及其2D-1D衍射结果
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不止月球土壤，地球土壤研究也离不开它
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土壤研究本就是我国身为农业大国的科研重点。
土壤是由大小不同,形状各异的颗粒组成，其中土壤粘粒矿物是土壤的重要组成部分之一，它不仅蕴含着土壤的形成轨迹，发生学特征以及成土环境的变化，而且还能够对土壤中的营养物质以及水分起到保蓄的作用。
同时，由于不同类型土壤的粘粒矿物组成不尽相同，不同利用方式以及长期定位施肥都会对土壤粘粒矿物的演变产生影响，因此研究土壤粘粒矿物的组成及演变规律，可以更加全面的了解不同类型土壤之间的发生学规律，对探究土壤肥力的可持续性具有重要意义。
·试验土壤的X射线衍射图谱
目前对土壤粘粒矿物展开研究已经成为农业绿色发展研究的重点之一，X射线衍射仪作为研究土壤粘粒矿物最有效的手段，具有方便、快捷、测量精度高以及对样品无污染等优点，近年来受到国内外学者的广泛关注。
总结
2021年7月，国内30多家科研单位获得共计44.8577克的月壤样品，到了2022年初，已有几十篇相关论文陆续发表。
这些论文都详细地论述了如何利用先进的微区分析技术，通过实例展示其在嫦娥五号月壤和陨石等珍贵地外样品研究中获得的数据。
高效高质量的科学研究，都离不开各种技术手段的应用，它们也是获取重大原创成果的前提，月球上还有多少秘密没被发现，还有多少仪器都在默默奉献，我们会为你一一揭晓。
参考资料：
1.https://wiki.antpedia.com/zhuanjiweiquweishuxinjishuzhutuiewuhaoyuerangyanjiu-2703195-news
2. https://www.sohu.com/a/585057254_354973?scm=9010.68.0.0.0&spm=smpc.content.fd-d.52.1663230987298kQAuD8k&_trans_=000019_wzwza
3.https://www.bilibili.com/read/cv15924408
来源于射线商城Ray Mall，作者
赵工
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