结晶是人类生产生活中最重要的物理化学过程之一。传统的晶体生长过程都是在地球上观察到的，但尚不清楚其他天体环境中的晶体生长是否与地球上不同。比如距离地球最近的月球，没有大气层保护，所以它的表面无时无刻不在受到陨石和各种高能粒子的轰击。在轰击产生的极高温度和压力下，其颗粒尺寸、形态、生长方式和矿物组合均与表面晶体有显着差异。
“蘑菇”生长结构示意图
为了探究这些奇特晶体生长现象的机理，研究团队采用原位聚焦离子束制样方法，从嫦娥五号月球风化角砾岩碎片中提取样品，并利用高分辨率透射电子显微镜配备电子能量损失谱检测系统。 ，对样品进行了微纳米级矿物学研究。他们在样品中观察到一种由铬铁矿-硫铁矿纳米球-零价铁纳米球组成的罕见树枝状结构，像蘑菇一样从橄榄石表面垂直生长。
电镜下的结构和成分分析揭示了“蘑菇”结构的形成过程：首先，碎片受到微陨石的撞击，其中所含的Fe2+发生歧化反应，生成纳米零价铁球和其中的Fe3+。熔融玻璃，同时纳米硫化铁球或其与零价铁球的不混溶络合物；二是含铁纳米球在高温下与橄榄石发生反应。第三，定向附着会产生具有高势能的缺陷位点。橄榄石中的Cr3+与玻璃中的Fe2+聚集到缺陷处，结晶出铬铁矿；第四，在非平衡条件下，铬铁矿以枝晶的形式继续生长到玻璃中，将纳米球向外推，直到系统的能量被消耗到无法跨越结晶能垒的程度。该过程得到晶格失配计算和热力学模拟计算的支持。
“蘑菇”生长结构示意图
这项研究提出了一种在极端非平衡条件下发生的新生长机制，可以利用原相内的杂质离子在原相之间的异质界面处生成新的矿物相。这一发现首次证明定向粘附不仅可以在均质体系中发生，而且可以在多相体系中发生，对现有的非经典生长机制体系起到了重要的补充和开拓作用。
考虑到月球表面撞击的频率较高，可以想象，这种机制可能普遍发生在月球风化层中，从而影响月球表面的矿物成分和元素分布。同时，这种“蘑菇”结构的出现也可能作为极端非平衡结晶的标志，为后续研究非大气物体表面和其他极端条件下的晶体生长机制提供参考。
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