近日，由中国科学院空间应用中心、清华大学与中国科学院地球化学研究所组成的联合研究团队，首次成功实现了嫦娥五号（CE5）月壤单颗粒的热导率精准测量。研究发现，月壤中胶结物颗粒在真空条件下的热导率低至约8mW·m⁻¹·K⁻¹，其绝热性能比肩人造高性能气凝胶，是目前报道的热导率最低的天然物质。这一突破不仅从微观颗粒尺度揭示了月壤极低热导率的成因和月表极端热环境的形成机制，也为研发新型极端环境绝热材料提供了重要的自然范本。
1.CE5号月壤颗粒的形成及其结构形貌特征
1 月表月壤形成过程示意图和不同类型月壤颗粒的扫描电镜照片
根据形貌特征，月壤颗粒可分为三类：胶结物、岩屑与玻璃珠。其中，玻璃珠多呈光滑球形或椭球形，边界清晰；岩屑则为具棱角和解理面的不规则块体；胶结物形态最为复杂，结构高度不规则，边界模糊。三者在几何复杂性上呈现“胶结物 > 岩屑 > 玻璃珠”的特征。进一步结合X射线断层扫描(X-CT)与能谱分析（SEM-EDS），研究团队揭示了不同颗粒内部的孔隙与缺陷结构、矿物分布等特征。胶结物是月表太空风化的典型产物：其玻璃质基体由撞击熔融形成，内部包裹斜长石、辉石、橄榄石等矿物碎片，在快速冷却过程中，气体被捕获形成从纳米到微米尺度的多级孔隙结构，并伴随大量晶体—非晶及多相矿物界面，内部结构高度复杂。相较之下，岩屑主要源于基岩破碎，几乎不含闭合孔隙，但受撞击与冷热循环作用产生一定穿晶或沿晶裂隙；玻璃珠由熔体快速冷凝而成，内部相对均一，仅偶见高密度核心或气泡。定量分析进一步显示，三类颗粒的孔隙率差异显著：胶结物平均孔隙率约为17.78%，远高于岩屑（4.02%）与玻璃珠（1.38%）。综上，月壤内部的多尺度缺陷与复杂界面结构，正是其极低热导率的关键成因。
图2 月壤胶结物颗粒的三维重构与结构解析
2.CE5号月壤颗粒的本征热导率测试
为精准测量月壤颗粒的热传输特性，研究团队采用自主设计的悬臂式H型微纳热桥装置，对三类月壤单颗粒的热导率进行了高精度测定。该装置配备两端独立的金纳米传感器，分别实现加热与测温功能，并在高真空（<10⁻³ Pa）环境下开展实验，以排除气体导热与对流的影响，确保测得颗粒的本征热导率。实验结果显示，不同类型月壤颗粒的热导率差异显著。其中，空间风化产物——胶结物的热导率可低至约8 mW·m-1·K-1（253 K），明显低于岩屑（约27–79 mW·m-1·K-1）和玻璃珠（约120–490 mW·m-1·K-1）。胶结物是月壤中隔热能力最强的组分，其热导率相比岩屑低约3–5倍，相比玻璃珠低1–2个数量级。 不同颗粒类型在温度响应上也表现出迥异的规律。岩屑和玻璃珠的热导率随温度升高呈下降趋势，这与晶体材料中声子散射增强的典型行为一致；而胶结物的热导率则随温度升高略有上升。这一反常趋势归因于其非晶质主导的结构特征：原子无序排布限制了声子的平均自由程，使其对温度变化不敏感；同时，多尺度孔隙结构在高温下增强了辐射传热，共同导致热导率的正相关变化。该现象在地球多孔固结岩石及人造气凝胶材料中也普遍存在。
图3 悬臂式H型微纳热桥测试方法和月壤颗粒的本征热导率测试结果
3.月壤颗粒的多尺度传热机制
图4 月壤胶结物颗粒的多尺度传热机制
微观结构和矿物组分分析进一步揭示了胶结物超低热导率的物理机制。胶结物颗粒由非晶态熔融玻璃胶结多种矿物碎屑构成，内部高度不规则，并分布着纳米至微米尺度的多级孔隙网络。这种复合结构显著增强了声子散射与界面热阻，延长了热流路径，从而有效抑制热传导。进一步对比发现，胶结物颗粒的热导率并不单单取决于孔隙率，而更依赖于孔隙连通性及结构复杂度。具有更复杂物相界面和连通孔结构的颗粒，即使孔隙率较低，也表现出更低的热导率。分子动力学（MD）模拟结果表明，不同矿物相（如斜长石、橄榄石）与玻璃相之间存在显著的振动态不匹配，导致界面处声子传输效率降低。定量分析显示，理想晶体-晶体界面的热阻约为10-8 m2·K·W-1，而考虑纳米孔隙、缺陷及热流路径弯曲后，其等效界面热阻可提升至约10-5 m2·K·W-1。这一数量级的跃升，充分说明了微观结构与缺陷在抑制热传导中的主导作用。相较于理想致密矿物，具有多尺度孔隙与复杂界面的胶结物，其热导率降至晶体传热水平的约12%。研究团队进一步构建了从微观结构到介观热导率的跨尺度模型。通过将界面热阻及含缺陷矿物相的热导率引入有限差分模拟，验证了复杂界面结构、多尺度孔洞与缺陷在整体热传导中的控制地位。值得指出的是，真实月表环境中还存在太阳风辐照、电荷积累及其他物理-化学耦合作用，这些因素对颗粒热传导行为的进一步影响仍有待探索。
本研究所建立的实验与理论框架，为后续在更接近真实月表条件下开展热传输机制研究奠定了重要基础。该研究也为月表热环境建模与月面着陆器、原位载荷设备等热设计提供了可靠的物性基础。同时，对月壤原位资源利用（如原位制造与建造、挥发分探测提取和能源利用）过程中的传热行为预测与工艺优化具有一定的参考价值。
上述研究成果发表于材料科学综合类国际知名学术期刊《Communications Materials》，论文第一作者为中国科学院空间应用中心的田紫维和清华大学的郑婕，通讯作者为中国科学院空间应用中心的张光研究员、张鹏研究员，清华大学王海东副教授、曹炳阳教授以及中国科学院地球化学研究所的李阳研究员。本研究由国家自然科学基金（项目编号：52425601、42441804、52327809）和国家重点研发计划（项目编号：2021YFA0717200、2023YFB4404100）资助。
信息来源：行星科学
