嫦娥六号月壤黏性机制获颗粒力学层面解析
中国科学院地质与地球物理研究所祁生文研究员团队，基于嫦娥六号带回的月壤样品，深入揭示了月球背面月壤具有较高黏性特征的物理成因。这项研究从颗粒力学角度出发，系统解开了“嫦娥六号月壤为何如此黏”的科学问题，相关成果近日在线发表于国际权威期刊《自然·天文》。
2024年6月27日，在国家新闻办公室召开的嫦娥六号任务发布会上，任务总设计师胡浩回应媒体提问时表示，嫦娥六号在月球背面采样过程中，观察到着陆区域的月壤“略显黏稠且部分结块”，展现出与月球正面嫦娥五号采样点不同的物理行为。这一现象迅速引发了祁生文团队的关注。历经一年多的系统研究，该团队最终揭示了月壤黏性增强的科学根源。
研究人员采用漏斗实验与滚筒实验，对嫦娥六号月壤的休止角进行了精确测定。休止角是反映颗粒物料流动能力的重要参数。数据显示，嫦娥六号月壤的休止角明显高于月球正面的月壤样品，其流动性更接近于地球上的黏性土壤，进一步验证了胡浩总设计师的观察结论。
通过细致的成分分析，团队发现嫦娥六号月壤中磁性矿物含量极低，且不含任何黏土矿物，从而排除了磁力或胶结作用对黏性特征的影响。进一步研究表明，月壤的休止角增加主要由三种粒间力共同调控：摩擦力、范德华力和静电力。其中，摩擦力与颗粒表面粗糙度呈正相关，而范德华力与静电力则在颗粒尺寸减小的情况下显著增强。研究团队提出了D60值作为判断颗粒尺寸对休止角影响的关键参数。D60表示小于某一粒径的颗粒重量占总质量60%时对应的粒径。通过对不同D60值的非黏性矿物颗粒（如石英、辉石、钙铁辉石、拉长石）休止角的对比，团队发现，当D60低于约100微米时，范德华力与静电力对休止角的影响显著增强，导致非黏性矿物颗粒也表现出类似黏性材料的特性。
基于上述理论，研究人员对嫦娥六号月壤样品进行了分辨率达1微米的高空间分辨率CT扫描。通过精确厘定超过29万颗颗粒的尺寸与形态，并与嫦娥五号和阿波罗任务带回的月壤进行对比，发现嫦娥六号样品的D60值最低，仅为48.4微米，颗粒更加细腻，形态更为复杂，整体球度明显偏低。祁生文指出，这一发现与常规认知相悖，通常细颗粒更接近球形，而嫦娥六号月壤虽细，却呈现出复杂的几何结构。
研究人员认为，这种现象可能与样品中长石矿物含量较高（约占32.6%）以及月球背面受到的强烈太空风化作用密切相关。嫦娥六号月壤颗粒细小且表面粗糙，使得摩擦力、范德华力与静电力共同作用增强，从而显著提升了休止角，导致月壤表现出更强的黏聚特性。
此项研究首次从颗粒力学层面系统揭示了月壤的黏性行为机制，成功解析了嫦娥六号月壤的“黏性”之谜。随着我国深空探测活动的持续推进，这些成果不仅为未来的月球探测任务提供了坚实的科学支撑，也为月面资源开发和月球基地建设奠定了重要的理论基础。