1、 116 Univ.Chem.2023,38(2),116131 收稿：2022-07-28；录用：2022-09-27；网络发表：2022-10-25*通讯作者，Email: 知识介绍 doi:10.3866/PKU.DXHX202207138 火星探测和天体矿物手性火星探测和天体矿物手性 章慧1,2,*，刘新玲3，南子昂2，沙旭明1，张仕林2，黄少华1，苏纪豪2，赵玉芬1,2 1宁波大学新药技术研究院，天体化学与空间生命-钱学森空间科学协同研究中心，浙江 宁波 315211 2厦门大学化学化工学院，福建 厦门 361005 3上海师范大学化学与材料科学学院，上海 200234 摘要：摘要：
2、从地球到月球到火星，人类一直没有停下探矿寻宝的脚步。从冰洲石到水晶到紫水晶，这些晶莹剔透矿石所呈现的光学现象给科学家带来“光是什么”和“手性起源”的百折不挠探究，贯穿整个科学发展史，促进科学、技术和现代社会进步，并将持续为未来科技发展带来不可估量的影响。关键词：关键词：火星探测；天体矿物；手性；冰洲石；水晶；紫水晶；双折射；偏振 中图分类号：中图分类号：G64；O6 Mars Exploration and Chirality of Celestial Minerals Hui Zhang 1,2,*,Xinling Liu 3,Ziang Nan 2,Xuming Sha 1,Shilin
3、Zhang 2,Shaohua Huang 1,Jihao Su 2,Yufen Zhao 1,2 1 Institute of Drug Discovery Technology,Qian Xuesen Collaborative Research Center of Astrochemistry and Space Life Sciences,Ningbo University,Ningbo 315211,Zhejiang Province,China.2 College of Chemistry and Chemical Engineering,Xiamen University,Xia
4、men 361005,Fujian Province,China.3 College of Chemistry and Materials Science,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China.Abstract:From the Earth to the Moon to Mars,human beings have never stopped exploring for treasures.From Iceland spar to quartz to amethysts,the optical phenomena presented
5、by these sparkling and clear ores have inspired scientists to make persistent efforts to reveal“what is light”and“the origin of chirality”throughout the history of science.This has contributed to the advancement of science,technology,and modern society,and will continue to have an immeasurable impac
6、t on the future of science and technology.Key Words:Mars exploration;Celestial mineral;Chirality;Iceland spar;Quartz;Amethyst;Double refraction;Polarization 1 火星上有矿物宝藏吗？火星上有矿物宝藏吗？古希腊人认为石英(quartz)是上帝使水冻结后留下的永恒的白冰，通常所说的水晶(crystal)，来源于希腊语“krystallos”，意思是“冰”1。水晶的主要成分是二氧化硅，是地球上常见的矿物，它在人类历史长河的许多文明中都具有重要意义
7、。在法国、瑞士和西班牙已发现公元前75000年原始人类使用的石英物件的遗迹。天然水晶有三个重要的彩色品种：紫水晶、黄水晶和烟水晶。其中紫水晶是世界上最知名的半宝石之一，因其柔和鲜艳尊贵的紫色(图1)、天然丰富的资源和相对较高的耐久性，不仅受到宝石工匠、皇亲贵族和时尚达人的青睐，也有重要的科学研究价值。No.2 doi:10.3866/PKU.DXHX202207138 117图图1 产于墨西哥的天然紫水晶产于墨西哥的天然紫水晶(照片来自网络照片来自网络)外星探测是为了解外星球的气象、地质及生命活动情况。从20世纪60年代开始，人类就开始了百折不挠探测火星的旅程。笔者和其他研究者一样，向往着有朝
8、一日能在地外星球上发现宝石的矿藏，以了解地球与外星球之间的区别与共性。自2011年以来，科技日益强大的中国也加入了探测火星的漫漫征途。2021年5月15日7时18分，天问一号着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，5月22日10时40分，“祝融号”火星车安全驶离着陆平台，到达火星表面，开始巡视探测，正式成为中国的首辆、火星现役的第三辆火星车，也是人类史上第6辆成功登陆并运行的火星车(迄今成功运行的火星车有：旅居者号、勇气号、机遇号、好奇号、毅力号、祝融号)，正式开启中国火星探测时代。祝融号的主要任务是进行科学探测，充分利用6款利器：探地雷达、激光引导击穿光谱仪、气象探测仪、地表磁场探
9、测器、多光谱相机、导航与测绘仪，探测火星土壤、大气、地表环境、水冰分布、火星地下结构等。与此同时，我国第一颗人造火星卫星天问一号也正在火星遥感轨道上巡游，它利用携带的中分辨率相机、高分辨率相机、次表层探测雷达、矿物光谱分析仪2、磁强计、离子与中性粒子分析仪、能量粒子分析仪共7台载荷开展火星全球性和综合性的科学探测，于2022年6月29日完成了既定任务。2021年2月登陆火星的美国宇航局的毅力号火星车也在工作，它在火星上发现了一些奇怪的呈现出诡异紫色的岩石3,4，紫色遍及各种不同形状和大小的岩石甚至连小鹅卵石也没有逃脱，泛着紫色的光泽。毅力号所经之处紫色几乎无处不在，这让科学家们非常困惑。紫色的
10、火星岩石表层是在Jezero火山口发现的，这是数十亿年前陨石撞击出的一个28英里宽的陨石坑，曾经有过一个古老的湖泊。毅力号在Jezero火山口着陆，此后一直在火山口上漫游。在毅力号火星车的每一站，几乎都有紫色的闪光出现在其图像中。呈现紫色的物质到底是什么？它是如何形成的？这让科学家们挠头，但又非常兴奋：这些物质对于我们了解火星环境和气候变迁具有重要意义。研究人员希望进一步弄清这些岩石表层的化学成分，并寻找与火星地壳相关的有机物质这可能暗示着微生物的存在，或将为天体生物学家带来佳音。毅力号在穿越火山口时一直在钻取火星岩石的样本，将它们封存在管子里，样品管被保存在火星表面，但如何将这些样本早日带回
11、地球是另一个棘手的问题。幸运的是，毅力号火星车上配置的科学载荷有能力对这些岩石进行初步分析，这或许有助于科学家们理解这些物质的成分和成因。初步探测分析表明，火星岩石里可能含有不同种类的铁的氧化物。科学家们等不及未来航天神器带回的宝贵“火壤”样品，他们急于知道更多5。当前主要从两个方面进行相关研究6：一是发射火星探测器，利用各种遥感技术对火星进行全方位的探测；二是借助高精度和高空间分辨的现代分析技术，在实验室对火星样品(即火星陨石)进行分析测试。令人欣喜的是，这两方面的探究都有了实质性的进展。2005年，利用欧洲航天局“火星快车”搭载Omega仪器的可见光/近红外(VNIR)遥感技术，首次确定了
12、火星上的层状硅酸盐，此后的一系列探测使人们认识到火星是一颗表面含有丰富层状硅酸118 大 学 化 学 Vol.38盐的行星7。天文学家们相信在火星地下深处隐藏着某些“宝石”，其中可能会含有火星古代生命的遗迹。2 火星陨石里的宝石火星陨石里的宝石 火星陨石是迄今唯一能获得的火星样品。即便将来取回火星车采集的样品，火星陨石仍具有不可替代性，因为这些陨石随机来自火星表面，代表了更多、更广的区域6。然而，迄今地球上收集到的火星陨石还不足两百块，人们亲眼目睹的陨石(被称为降落型陨石)更是稀世之宝。1911年6月28日，一阵陨石雨降临在位于埃及尼罗河口附近的Nakhla，这是来自另一个星球的稀客一块火星陨
13、石。人们目睹了它坠落地球的过程，在它坠落到直径4.5公里的地面范围之前，传来几次爆炸声，形成的碎片被埋在地下达一米深，大约有40块碎片被找到，总重估计约10公斤，回收的碎片重量从20克到1813克不等，其中的两块碎片被捐赠给了伦敦的自然历史博物馆(图2)8。被命名为Nakhla的这块陨石是目前发现的5块降落型陨石之一，具有极高的研究价值。图图2 伦敦自然历史博物馆收藏的伦敦自然历史博物馆收藏的Nakhla陨石陨石8 2015年，英国格拉斯哥大学地理与地球科学学院的马丁(Martin R.Lee)教授团队在从伦敦自然历史博物馆借出的Nakhla火星陨石的样本中鉴定出了“Opal-A”(蛋白石-A
14、或欧泊-A)9,10。他们认为Nakhla陨石中所含有的Opal-A与陆地上的“火欧泊”(Fire Opal)更为相似，后者通常呈明亮的橘色、黄色或红色(图3)，由大小约20 nm的水合二氧化硅颗粒组成，随机排列。研究表明，火欧泊的颜色是由于铁氧化物的存在而不是衍射造成的11。借助强大的高分辨成像和微观分析技术，科学家在陨石样品中找到了非常微量的欧泊-A，这是火星上的液态水与这块岩石中的硅酸盐矿物相互作用留下的产物。图图3 包裹在基质中的墨西哥火欧泊原石包裹在基质中的墨西哥火欧泊原石(照片来自网络照片来自网络)No.2 doi:10.3866/PKU.DXHX202207138 119欧泊是世
15、上最美丽和最珍贵的宝石之一，其化学组成是SiO2nH2O(二氧化硅水合物)。欧泊最显著的特征就是它的变彩效应，当晃动欧泊时可以看到多种颜色闪光的变幻(图4a)。没有变彩效应的欧泊通常被称为蛋白石，也可以作为宝石佩戴。火欧泊被比喻为火，但又诞生于水，是一种非常耐人寻味的珠宝，有着古老而传奇的历史12。最好的火欧泊显示出变彩效应(图4b)，但也可能是纯色(图4c)，后者因具有强烈的色彩饱和度而备受青睐。(a)(b)(c)图图4 变彩欧泊变彩欧泊(a)、变彩火欧泊、变彩火欧泊(b)和橙色火欧泊和橙色火欧泊(c)戒指戒指(照片来自网络照片来自网络)古罗马自然科学家普林尼曾这样描述过上好的欧泊：“在一块
16、欧泊上，你将看到红宝石如火般的灿烂，紫水晶神秘紫色的光辉，祖母绿海洋般的深邃，五彩缤纷，浑然一体，美不胜收。”在阿拉伯的古老传说中，欧泊来自于天堂，由于闪电才降落人间。今天的科学知识告诉我们，蛋白石的形成需要经过数千年的时间：雨水洪流浸入古老的地下岩石深处，携带着二氧化硅胶体溶液，深入大地；在干燥的时期，大部分水分蒸发了，留下的是夹在地下沉积岩裂缝之间的固体二氧化硅沉积物无定形的非晶体宝石矿，其中也可能包含动植物残留物，例如树木、甲壳和骨头等。阿拉伯流传下来的浪漫传说仿佛被应验，天降Nakhla火星陨石中的火欧泊被荣获小行星(8152 Martinlee)命名的马丁教授发现。不得不感叹马丁教授的运气实在太好了，此发现可谓一石三鸟：首先，继2004年“火星快车”探测器发现火星南极存在冰冻水之后，根据Opal-A的组成从火星陨石角度证实了火星上水的存在；其次，欧泊内可能含有化石，这种矿物一般在微生物聚集的热泉附近形成13，火星潜在热泉环境的探测为天体生物学家所期待；再者，满足了大家的好奇心，火星上有富含二氧化硅和附属矿物的矿床14，或可以寻得与之相关的各种石英质或硅酸盐宝石1，如欧泊、水晶
