搜狐科技《思想大爆炸——对话科学家》栏目第79期，对话吉林大学唐敖庆学者-领军教授、电子显微镜中心主任张伟。
嘉宾简介：
张伟，吉林大学唐敖庆学者-领军教授、电子显微镜中心主任、英国皇家化学会会士，入选科睿唯安“全球高被引科学家榜单”（2023，交叉学科）。开发了“电子束为‘墨’，石墨烯当‘纸’”的纳米书写技术，基于实空间维度阐释了具有超大单胞结构的功能氧化物的复杂表面的原子分布特点。主要研究方向为先进材料的电子显微分析、催化和能源材料的表界面化学。
划重点：
1.天然的少层石墨烯的发现，有助于我们更加全面地了解月球的地质活动和演变历史，同时拓宽了对月球复杂矿物的认识。
2.少层石墨烯和石墨碳的形成，可能源于太阳风和月球早期的火山喷发共同诱导的矿物催化进程。
3.这是世界了解中国科技的一个重要窗口，我们要把重要的科研论文写在自己的祖国大地上。
4.未来的星际探索，可能会从电镜表征、材料科学、无机化学角度来分析月壤或者其他星际的样本。
出品｜搜狐科技
作者｜周锦童
编辑 | 杨锦
千百年来，人类对月球的向往和探索从未停止。现如今，这个美丽而神秘的地方，也并非可望而不可即了……
嫦娥五号，作为中国探月工程的重要一环，带来的月壤研究样品一点一点地揭开了月球的神秘面纱。
近日，吉林大学邹猛教授、张伟教授、李秀娟正高级工程师及中国科学院金属研究所任文才研究员等，通过对嫦娥五号钻采岩屑月壤（No. CE5Z0806YJYX004）的观察分析，首次发现天然形成的少层石墨烯。
据悉，这项研究为月球的地质活动和演变历史以及月球的环境特点提供了新的见解，拓宽了人们对月壤复杂矿物组成的认知，为月球的原位资源利用提供了重要信息及线索。该研究成果现已发表在National Science Review期刊上。
如何检测到月壤中的天然少层石墨烯？研究有哪些意义？少层石墨烯在月球上的可能形成过程是怎样的？下一步的研究方向和探索计划是什么？带着这些问题，搜狐科技对话了文章的之一作者，吉林大学唐敖庆学者-领军教授、电子显微镜中心主任张伟。
为月球探测和资源开发利用提供重要参考
在回答这些疑问前，张伟向搜狐科技介绍了样本的具体情况。
图片来自文章
通过图a可以看出来，这部分月壤的大致轮廓是呈椭圆形的，有点像我们的台湾岛，虽然图片上看起来很大，但它的长只有2.856毫米，宽1.592毫米，表面也是不规则的。
“这部分月壤样本是邹猛教授领衔申请到的，也是我们整个东北地区之一份，来自月球的北大洋洲普罗塞拉鲁姆地区，西经51.916度，北纬43.058度，而这个地区更大的特点就是人类涉足较少，处于非常原生态的状况。”张伟介绍道。
邹猛老师申请到月壤的时刻
在他看来，这部分月壤比较特殊，按照以往的情况打开瓶子后部分样本很容易就“崩”没了，但这次的样本挖自月球地下约0.25米深的地方，并不是来自极表层容易受到干扰的地方，非常珍贵的。
谈及此次研究的意义，张伟表示，目前来讲石墨烯通常都是合成的，而天然的少层石墨烯并没有被正式发现，所以在月球上发现天然石墨烯的意义是非常重大的，虽然我们也观测到了多层石墨烯，但多层与石墨很接近，所以在这里我们强调少层。
这项观测结果有助于我们更加全面地了解月球的地质活动和演变历史，为月球环境特点也提供了新的见解。
“因为以前的研究大多来自地质领域，更多地关注矿物种类，但我们研究聚焦于材料方面，这也拓宽了人们对月球复杂矿物的认识，从无机化学和材料科学角度为未来月球探测和资源开发利用提供了重要参考。”张伟如是说。
此外，石墨烯在新能源电池方面也发挥着重要作用，甚至对比较时髦的海水淡化技术也有着非常直接的作用，还涉及到航空航天等领域。
谈及是否会对人类地外探索和未来移居有帮助，张伟坦言：“虽然我做的更多的是基础科学方面的研究，离实际应用还有距离，但随着社会的发展，随着其他技术的进步，会自然而然地把它提到日程上来。”
少层石墨烯是如何被检测出来的？
这里就不得不提到电镜-拉曼技术。
“电镜和拉曼通常不用在一起，科技发展是把这两种技术联用了，而且我们还把二次质谱和能谱也用在一起了，可以说是真正的多种技术联用。”张伟介绍道。
电子与样品交互作用会产生多种信号，包括透射电子、弹性散射电子、非弹性散射电子、二次电子、背散射电子等，每一种信号都是一种电镜分析，电镜更侧重于显微成像。
拉曼则主要强调谱学，拉曼光谱是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V. Raman所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析 *** ，应用非常广泛。
“比如我们针对一个样品，应用多种联用技术，可让我们对其中一个感兴趣的微小区域进行多角度、多尺度地分析，其实这正是一种新的‘原位’理念。”张伟如是说。
尽管从拉曼的谱学结果中可以确认它是石墨类碳，但张伟还是不太相信，毕竟他的专业是显微成像，没有从图像中看到，他是不能确定的，所以在观测过程中他不断地给自己提问题：样本有没有被污染？出现的碳是不是因为污染导致的？
于是张伟寻找到了更多的证据，并多次重复了实验，最终弄明白该样本并没有被污染，“看似只是一张图，但从做实验到发表，我和邹猛教授、李秀娟正高级工程师、任文才研究员等合作者联合攻关，紧锣密鼓花了一年的时间。”张伟感叹道。
李秀娟正高级工程师被采访
除了上述技术外，张伟还提到了另外一个关键的技术，就是冷冻条件下的高角环形暗场像技术。“之所以使用这项技术，是因为我们还想更多地从‘眼睛’这个直观的角度直接看到显微成像。”张伟解释道。
石墨烯和氧化物等其他复杂化合物连接到一起，特别敏感、脆弱，在电子束下想要观测到信号是非常有挑战性的，所以他们在冷冻条件下运用了这种高技术，以便更大程度的减少对样品的损伤。
此外，元素周期表中每个元素在能谱上都对应一个特定的峰值，所以在石墨烯周围发现的信号都要进行机制分析，张伟特别关注铁元素，因为它和它的氧化物对催化碳类物质具有关键性作用。
“所以你看，这是多种技术的综合运用及测试的结果，我们通过多方面的严格比对分析，最终才确认了这是天然石墨烯，而在这个过程中我也是三次否定自己的发现。”张伟如是说。
此外，张伟还谈及了少层石墨烯在月球上的可能形成过程：“少层石墨烯和石墨碳的形成可能源于太阳风和月球早期的火山喷发共同诱导的矿物催化进程。”
石墨烯周围的一些化学成分，比如铁或者其他化合物都很容易扮演催化剂，石墨的碳元素本身来自于太阳风，而且月球早期是存在火山喷发的，不像现在这样死气沉沉。
在论文评审过程中，有评审人提出了另一种可能机制或许也起作用，这种机制与星际领域的陨石或其他星球冲击有关，冲击过程种产生高温、高压，从而形成了石墨烯。
希望继续研究嫦娥六号的“月壤快递”
提到发表的期刊，相信有许多网友和搜狐科技一样好奇，这样的研究成果怎么不发Nature，不发Science呢？
对此，张伟解释道，大家都知道这些期刊影响力更高，但耗时更长，我们考虑到这个成果是世界首次发现，成果必须优先发表，重要成果的之一时间发表是非常关键的。
所以我们在期刊选择上做了对比，最终选择了我们国家更具有影响力的期刊《National Science Review》，这本期刊也是世界了解中国科技的一个重要窗口，就像国家号召的那样，我们要把重要的科研论文写在自己的祖国大地上，展示我们国家的科研实力。
“其实这件事情对我是非常具有挑战性的，一方面我十分荣幸，另一方面我又感觉压力山大。”张伟坦言。
不过好在，这项研究顺利地发表了。
现如今，嫦娥六号的“月壤快递”也已到达，谈及是否可能存在石墨烯时，张伟非常兴奋：“我觉得可能性还是很大的，因为月球背面的月壤可能和人类以前的许多认知不一样，这更增加了对我的吸引力。”
谈及未来探索计划时，张伟透露，邹猛教授领导的星壤模拟和测试团队还会继续努力未来的星际探索，可能会从电镜表征、材料科学、无机化学角度来分析月壤或者其他星际的样本，他希望能够从独特的视角清晰地提供它的演化知识，以便更好地为人类所利用。
发表评论