Образцы были собраны на Луне в 2020 году аппаратом «Чанъэ-5», пятой лунной миссией китайской программы исследования Луны и первой миссией Китая, которая доставила образцы на Землю.
Графен — это разновидность углерода, или «аллотроп», состоящий из одного слоя атомов, расположенных в сотовой структуре. Впервые он был открыт в 2004 году Андре Геймом и Константином Новоселовым. В 2010 году дуэт получил Нобелевскую премию по физике за это открытие, которое объясняется замечательными физическими свойствами графена и его потенциальным применением в электронике, хранении энергии, сенсорике и биомедицине, а также во многих других областях.
«Графен произвел революцию в исследованиях физики конденсированных сред и материаловедения благодаря своим новым физическим явлениям и необычным свойствам«, — пишет команда исследователей лунного образца в недавней статье, опубликованной в журнале .
Но зачем ученые искали графен на Луне? Может ли графен рассказать о том, как сформировалась Луна?
Происхождение Луны до сих пор остается предметом споров, хотя за прошедшие годы было выдвинуто множество теорий. Одна из них, гипотеза гигантского удара, приобрела большую популярность.
Согласно этой гипотезе, около 4,5 миллиарда лет назад Земля столкнулась с планетой размером с Марс, в результате чего на орбите Земли образовались обломки, из которых в итоге сформировалась Луна. Подобные гигантские столкновения были обычным явлением во внутренней части Солнечной системы, когда Земля формировалась в бурную раннюю эпоху нашей планетарной системы.
Хотя состав Луны похож на земной, образцы, привезенные миссиями НАСА «Аполлон», показали, что долгожитель нашей планеты — лунный спутник — относительно обеднен летучими элементами (элементами, которые легко испаряются), включая углерод, по сравнению с нашей планетой.
Ученые предположили, что сильное тепло, вызванное таким мощным столкновением, привело к испарению и выходу летучих элементов, оставив после себя тело, обедненное углеродом. Образцы «Аполлона» также показали сходство изотопного состава Земли и Луны. Изотопы — это атомы одного и того же элемента с разным числом нейтронов в ядре, поэтому эти результаты еще больше подтверждают идею о том, что Луна образовалась из материала, выброшенного с Земли после гигантского столкновения.
Эти новые данные с Чанъэ-5, а также недавние наблюдения, зафиксировавшие потоки ионов углерода, исходящие от Луны, указывают на то, что там может присутствовать самородный или местный углерод. Это ставит под сомнение существующий консенсус вокруг этой теории.
«Очень желательно разгадать кристаллическую структуру местного углерода на Луне«, — пишет команда. Это связано с тем, что углерод является фундаментальным элементом для понимания формирования и эволюции планетарных тел, а его форма и структура определяются процессом его образования.
«Поскольку графен регулярно получают с помощью искусственных технологий с различными морфологиями и свойствами, определяемыми конкретным процессом формирования, характеристика состава и структуры природного графена предоставит богатую информацию о геологической эволюции родительских тел«, — заявила команда.
Команда, обнаружившая графен в лунных образцах, проанализировала образец лунного грунта «оливковой формы» длиной 2,9 миллиметра и шириной 1,6 мм.
Для поиска графенового углерода в этом образце исследователи использовали различные методы определения характеристик, обычно применяемые химиками, включая сканирующую электронную микроскопию (СЭМ) и спектроскопию комбинационного рассеяния.
Рамановская спектроскопия — это метод рассеяния света, который позволяет ученым изучать колебательные, вращательные и низкочастотные режимы связей внутри молекул. Таким образом, этот метод позволяет получить представление о структуре и составе молекул. С другой стороны, РЭМ создает изображения поверхности материала с высоким разрешением с помощью сфокусированного пучка электронов. СЭМ можно использовать для определения элементного состава.
С помощью этих инструментов ученые обнаружили в богатых углеродом участках образца чешуйки графена толщиной от двух до семи слоев. Команда также заметила, что слоистый графен образует структуру оболочки, заключающую в себе ядро из сложных соединений.
Это говорит о том, что синтез происходил снизу вверх, а не путем эксфолиации — отделения слоев путем разрыва связей между ними, что обычно сопровождается высокотемпературной реакцией.
Помимо обнаружения графена в образцах лунного грунта, доставленных аппаратом Чанъэ-5, ученые нашли железосодержащее соединение, присутствующее только в тех областях образца, где был обнаружен углерод.
Это интригует, поскольку железосодержащие минералы на Луне, такие как оливин и пироксен, могли сыграть роль катализатора превращения углерода в графен.
Вулканическая активность, солнечные ветры или удары метеоритов могли обеспечить необходимую энергию для этого превращения, что могло создать среду с высоким давлением и высокой температурой, необходимую для превращения углерода в графен.
«Это открытие может перевернуть представление о химических компонентах, географических эпизодах и истории Луны«, — заявила команда, сделавшая это открытие.