В 2004 году ученые из Манчестерского университета впервые выделили и исследовали графен — суперматериал, состоящий из однослойных атомов углерода, расположенных в гексагональной сотовой решетке. С тех пор он стал чудом, обладающим свойствами, которые делают его чрезвычайно полезным в многочисленных приложениях. Среди ученых принято считать, что около 1,9% углерода в межзвездной среде (ISM) существует в форме графена, а его форма и структура определяются процессом его формирования.
Как это часто бывает, на поверхности Луны может быть много этого суперматериала. В недавнем исследовании ученые из Китайской академии наук (CAS) обнаружили на Луне естественно сформированный графен, организованный в особую тонкослойную структуру. Эти результаты могут иметь радикальные последствия для нашего понимания того, как образовалась Луна, и привести к новым методам производства графена с применением в электронике, хранении энергии, строительстве и суперматериалах. Они также могут оказаться полезными для будущих миссий, которые создадут постоянную инфраструктуру на поверхности Луны.
Команду возглавляли профессора Вэй Чжан и Мэн Цзоу из Ключевой лаборатории бионической инженерии и Ключевой лаборатории международного сотрудничества провинции Цзилинь по высокоэффективным чистым энергетическим материалам в Университете Цзилинь, старший инженер Университета Цзилинь Сюцзюань Ли и Вэньцай Жэнь из Института исследований металлов (CAS-ISM) CAS. К ним присоединились коллеги из нескольких Ключевых лабораторий Университета Цзилинь, CAS-ISM, Лаборатории исследования глубокого космоса и Центра исследования Луны и космической инженерии. Статья, описывающая их выводы, появилась в Национальное научное обозрение.
В течение десятилетий ученые предполагали, что система Земля-Луна образовалась в результате массивного столкновения — Гипотезы гигантского удара — между телом размером с Марс (Тейей) и Землей примерно 4,4 миллиарда лет назад. Эта теория подтверждается анализами лунных пород, возвращенных астронавтами Аполлона, что привело к представлению о том, что Луна обеднена углеродом. Однако недавние открытия поставили под сомнение этот консенсус, основанный на наблюдении за глобальными потоками ионов углерода на Луне, которые предполагают наличие местного углерода.
Эти наблюдения согласуются с анализом одного из образцов Аполлона-17, который показал наличие графита. Для своего исследования команда провела спектроскопический анализ образца лунного грунта в форме оливы (размером около 2,9 мм на 1,6 мм), извлеченного Чанъэ 5 миссия в 2020 году. Это была третья роботизированная миссия Китая, которая достигла поверхности Луны, и ее первый образец, возвращенный с Луны. Из полученных спектров они обнаружили соединение железа в богатом углеродом участке образца, которое тесно связано с образованием графена.
После дальнейшего анализа с использованием передовых микроскопических и картографических технологий они подтвердили, что углерод в образце представлял собой графеновые хлопья толщиной от двух до семи слоев. С точки зрения того, как он там оказался, команда предположила, что графен мог образоваться в период вулканической активности на раннем этапе истории Луны, когда она еще была геологически активна. Они также выдвигают гипотезу, что графен был катализирован солнечными ветрами, которые подняли лунный реголит и его железосодержащие минералы, что могло помочь преобразовать атомную структуру углерода.
Они также допускают возможность падения метеоритов, которые, как известно, также создают высокотемпературную и высоконапорную среду, похожую на вулканическую активность. Как они утверждают в своей статье:
«Графен встроен в виде отдельных чешуек или сформирован как часть углеродной оболочки, окружающей минеральные частицы. Наш результат раскрывает одну типичную структуру коренного углерода на Луне, и был предложен механизм ее образования. Это открытие может переосмыслить понимание химических компонентов, географических эпизодов и истории Луны».
Эти результаты также могут оказать огромное влияние на исследования здесь, на Земле, где графен изучается для применения в различных областях, от электроники и механики до материаловедения. Как они указывают в своем исследовании, это исследование может привести к новым методам недорогого производства материала и предложить дополнительные возможности для исследования Луны:
«Идентификация графена в структуре ядро-оболочка предполагает процесс синтеза снизу вверх, а не расслоение, которое обычно включает высокотемпературную каталитическую реакцию. Поэтому здесь предлагается механизм образования графена с несколькими слоями и графитового углерода…
«В свою очередь, катализируемое минералами образование природного графена проливает свет на разработку недорогих масштабируемых методов синтеза высококачественного графена. Таким образом, может быть продвинута новая программа исследования Луны, и можно ожидать некоторых будущих прорывов».
Эти результаты также могут оказаться полезными для будущих миссий, которые приведут к развитию постоянной инфраструктуры на поверхности Луны. Сюда входит программа NASA Artemis, которая направлена на создание «устойчивой программы исследования и освоения Луны». Также есть инициатива ESA Moon Village и план Китая и России по Международной лунной исследовательской станции (ILRS). Помимо разведки и научных исследований, эти программы могут проводить эксперименты по свойствам и использованию графена, что может включать изготовление лунных жилищ!
Дополнительная информация: EurekAlert!, National Science Review
