嫦娥五号月球土壤颗粒润湿性特征的单颗粒表面分析及其在月面建造中的应用

为解决月球基地建设中挤出成型技术(ED)的关键材料适配性问题，中国研究人员通过超深场显微镜与精密液体蒸发器联用装置，首次定量分析了嫦娥五号月球土壤单颗粒的润湿特性。研究发现颗粒-水接触角平均达108.73°（标准差3.60°），符合Cassie-Baxter疏水模型，表面张力为8.46 mN/m。该研究为地外建造中树脂-月壤界面设计提供了关键参数，发表于《Applied Surface Science》。

　　

月球基地建设已成为全球太空竞赛的新焦点，但如何利用月球表面广泛分布的月壤进行原位建造，仍是亟待解决的难题。传统的地球建筑材料运输方案受限于火箭运载能力，而基于挤出成型(Extrusion-based Manufacturing, ED)的原位资源利用(In-Situ Resource Utilization, ISRU)技术被视为突破方向。然而，这项技术的成败关键取决于月壤颗粒与粘结剂（如水或树脂）的界面特性——就像试图用疏水的沙子建造坚固城堡，若不了解材料间的"亲和力"，工程将面临巨大挑战。

中国的研究团队通过嫦娥五号(Chang’E-5)任务获取的月壤样本（编号CE5C0400），开展了一项开创性研究。他们发现，经历数十亿年空间风化(Space Weathering)的月壤颗粒展现出独特的疏水特性：当水滴落在这些颗粒表面时，会形成平均108.73°的接触角(Contact Angle)，比地球上普通土壤的典型值高出约30°。这种"拒水"特性源于月壤表面特殊的微观结构——像被陨石轰炸过的蜂窝状战场，布满了粘附物(Adherents)、多孔架构和多矿物碎片构成的"防御工事"。

研究采用超深场显微镜(Ultra-deep Field Microscopy)与精密液体蒸发器联用系统，首次实现了微米级粗糙颗粒接触角的直接测量。通过COMSOL Multiphysics软件的两相流相场(Two-phase Flow Phase-field)模拟，证实Cassie-Baxter模型能准确描述这种特殊润湿行为。更令人惊讶的是，月壤与树脂的相互作用中，理论杨氏接触角(Young Contact Angle)96.18°与实际测量值91.90°的差异，揭示了传统理论在太空环境材料中的适用性需要重新校准。

关键技术方法包括：1）对嫦娥五号月壤样本（源自Oceanus Procellarum地区）进行粒径筛选；2）采用场发射扫描电镜(FESEM)表征表面形貌；3）自主研发接触角测量系统；4）基于相场法的数值模拟；5）X射线光电子能谱(XPS)分析表面化学组成。

【表面形态和组成】
FESEM图像显示月壤颗粒具有棱角状外形和凹凸不平的表面。高倍观测发现表面覆盖着可能是陨石撞击或火山活动形成的玻璃质粘附物，其多孔结构类似海绵。XPS分析证实表面存在Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原对和Si-O-Si键，这些特征共同构成了疏水的"微观防御体系"。

【结论】
该研究建立了微米级粗糙颗粒接触角表征的新范式，揭示月壤疏水性主要源于：1）表面粘附物形成的微观粗糙度；2）多孔结构的气体俘获效应；3）非均质矿物分布。提出的修正Cassie-Baxter模型能准确预测接触角偏差，计算得到的月壤-水界面张力(8.46 mN/m)为地外建造工艺参数提供了基准值。

这项发表于《Applied Surface Science》的成果具有双重突破：在科学层面，首次量化了地外天体物质的润湿特性，填补了行星表面物理化学性质数据库的空白；在工程层面，为月面建筑材料的配方设计提供了关键参数——例如在ED技术中，需要根据8.46 mN/m的表面张力值调整树脂粘度。正如研究者所言："理解月壤颗粒如何'拒绝'或'接纳'粘结剂，是确保月球基地墙壁不会像沙堡一样坍塌的第一步。"未来，这些发现还可拓展应用于火星土壤特性研究，为人类跨行星生存奠定材料科学基础。