月球(qiu)表面的月壤是(shi)研究月球(qiu)地質(zhi)演(yan)化與資源(yuan)潛(qian)力(li)的關(guan)鍵(jian)載(zai)體。近年(nian)來，隨(sui)著月球(qiu)探測(ce)任務(wu)的(de)深(shen)入，月壤中(zhong)水(shui)冰的(de)存在(zai)及(ji)其特(te)性成(cheng)為(wei)科(ke)學界(jie)關(guan)註(zhu)的(de)焦點。然(ran)而，真(zhen)實(shi)的(de)月壤樣品極(ji)其(qi)稀少且(qie)珍(zhen)貴(gui)，科(ke)學家(jia)們通常使(shi)用(yong)模(mo)擬月壤進行實(shi)驗(yan)研(yan)究(jiu)。在(zai)模(mo)擬月球(qiu)極(ji)-端環境(jing)下(xia)，月壤水(shui)冰演(yan)化特(te)征及(ji)其賦存狀態(tai)的研(yan)究(jiu)，對於(yu)理解(jie)月球(qiu)水(shui)資源(yuan)的(de)分(fen)布與利用(yong)潛(qian)力(li)至(zhi)關(guan)重要。而(er)低(di)場核(he)磁共振(zhen)技術(shu)作(zuo)為(wei)壹(yi)種(zhong)高(gao)效、無損(sun)的(de)分析(xi)手段(duan)，正(zheng)逐步成(cheng)為(wei)揭(jie)示(shi)月壤水(shui)冰動態(tai)變(bian)化過程的(de)核(he)心工具。

壹(yi)、月壤環境(jing)特(te)性與(yu)水(shui)冰研(yan)究的挑戰

月球(qiu)表面晝(zhou)夜(ye)溫差極(ji)大，範圍從-173°C至(zhi)127°C，這種劇(ju)烈(lie)的溫(wen)度循(xun)環會導致(zhi)月壤中(zhong)水(shui)冰反(fan)復凍結與解凍(dong)，引(yin)發(fa)相變(bian)和體積變(bian)化，進而可能(neng)產(chan)生微裂(lie)紋，影響(xiang)月壤的結(jie)構(gou)穩(wen)定性。此(ci)外(wai)，月球(qiu)的低(di)重力環(huan)境（約(yue)為(wei)地球(qiu)的1/6）也(ye)會影響水(shui)冰的(de)分布與遷移(yi)行為(wei)。為(wei)了在(zai)地球(qiu)上(shang)模(mo)擬這些條件，研究人員通過配(pei)制(zhi)模(mo)擬月壤，並(bing)利(li)用(yong)離心機模(mo)擬低(di)重力環(huan)境，結(jie)合低場核磁(ci)共振(zhen)技術(shu)，系(xi)統研(yan)究(jiu)水(shui)冰在(zai)月壤中(zhong)的(de)分布、相變(bian)及(ji)遷移(yi)規(gui)律(lv)。

二、低(di)場(chang)核(he)磁共振(zhen)技術(shu)：原(yuan)理與(yu)應(ying)用(yong)優(you)勢(shi)

低場(chang)核(he)磁(ci)共振(zhen)技術(shu)是(shi)基(ji)於(yu)原子核(he)在(zai)磁場中(zhong)的(de)弛(chi)豫(yu)行為(wei)來分(fen)析(xi)材料(liao)中(zhong)水(shui)分分(fen)布和狀態(tai)的高(gao)精度技術(shu)。水(shui)分子中(zhong)的(de)氫(qing)原(yuan)子核(he)在(zai)外加(jia)磁(ci)場(chang)中(zhong)會發(fa)生能(neng)級分(fen)裂(lie)，通過檢(jian)測(ce)其弛(chi)豫(yu)時(shi)間(jian)（T1、T2），可以準確(que)區分自由(you)水(shui)、束縛(fu)水(shui)以及(ji)冰等不同相態(tai)水(shui)分子的(de)含(han)量與分布。

在(zai)月壤水(shui)冰研(yan)究中(zhong)，低(di)場核磁共振(zhen)技術(shu)具(ju)有(you)以下突出優(you)勢(shi)：

無損(sun)檢(jian)測(ce)：無需破(po)壞樣(yang)品，即可實(shi)時(shi)監測(ce)水(shui)冰在(zai)溫度循環與(yu)低重力條件下的動態(tai)變(bian)化。

高(gao)靈敏(min)度(du)：能(neng)夠(gou)精(jing)確(que)識別(bie)不(bu)同賦存狀態(tai)的水(shui)冰，如吸附(fu)水(shui)、孔(kong)隙(xi)水(shui)與結(jie)晶冰。

實(shi)時(shi)追蹤：結(jie)合溫控系統，可全(quan)程記(ji)錄(lu)水(shui)冰在(zai)凍融(rong)過程中(zhong)的(de)遷移(yi)路徑與(yu)相變(bian)過(guo)程。

三(san)、LF-NMR在(zai)月壤水(shui)冰研(yan)究中(zhong)的(de)關(guan)鍵(jian)應(ying)用(yong)

凍(dong)融(rong)/溫度循環(huan)影(ying)響分(fen)析

在(zai)月球(qiu)極(ji)-端溫度(du)循(xun)環下，月壤中(zhong)的(de)水(shui)冰經(jing)歷反(fan)復凍(dong)結與融(rong)化。低場核磁(ci)共振(zhen)技術(shu)通過監(jian)測(ce)T2弛(chi)豫(yu)時(shi)間(jian)的變(bian)化，能(neng)夠(gou)清(qing)晰揭(jie)示(shi)水(shui)分子在(zai)孔(kong)隙(xi)中(zhong)的(de)遷移(yi)與再分(fen)布(bu)規(gui)律(lv)。例(li)如，在(zai)凍結過程中(zhong)，LF-NMR可檢(jian)測(ce)到水(shui)分子從液(ye)態(tai)向固態(tai)轉(zhuan)變(bian)的(de)信(xin)號(hao)變(bian)化，進而評(ping)估(gu)因體(ti)積(ji)膨脹(zhang)導致(zhi)的(de)微(wei)裂(lie)紋產(chan)生風(feng)險(xian)。這壹(yi)過(guo)程對於(yu)預測(ce)月壤在(zai)長期溫度循(xun)環中(zhong)的(de)結構(gou)穩(wen)定性具(ju)有(you)重要意(yi)義(yi)。

水(shui)冰賦存狀態(tai)識別(bie)

月壤水(shui)冰賦存狀態(tai)包(bao)括(kuo)吸附(fu)於(yu)顆粒(li)表面的薄(bo)膜水(shui)、填(tian)充於(yu)孔(kong)隙(xi)中(zhong)的(de)液態(tai)水(shui)以及(ji)結晶形態(tai)的冰(bing)。LF-NMR通過區分不(bu)同(tong)弛(chi)豫(yu)時(shi)間(jian)的信(xin)號峰值(zhi)，能(neng)夠(gou)定量分析各種(zhong)水(shui)冰形態(tai)的比(bi)例(li)與(yu)分布。例(li)如，短弛(chi)豫(yu)時(shi)間(jian)通常對應束縛(fu)水(shui)，長弛(chi)豫(yu)時(shi)間(jian)對應自由(you)水(shui)或冰(bing)。這種能(neng)力使(shi)得研(yan)究人員能(neng)夠(gou)準(zhun)確(que)評估(gu)月壤中(zhong)水(shui)資源(yuan)的(de)可利(li)用(yong)性(xing)。

低(di)重力環(huan)境模(mo)擬

通過離心機模(mo)擬月球(qiu)低重力條件，結合LF-NMR技術(shu)，科(ke)學家(jia)能(neng)夠(gou)研(yan)究(jiu)水(shui)分在(zai)月壤中(zhong)的(de)分布均勻性(xing)。實(shi)驗(yan)顯(xian)示(shi)，在(zai)低重力環(huan)境下(xia)，水(shui)分更(geng)易在(zai)月壤孔(kong)隙(xi)中(zhong)聚(ju)集，而(er)LF-NMR可實(shi)時(shi)監測(ce)這壹(yi)過(guo)程，為(wei)未來月球(qiu)基(ji)地(di)的(de)水(shui)資源(yuan)提(ti)取與(yu)利用(yong)提(ti)供關(guan)鍵(jian)數(shu)據(ju)支持(chi)。

應用(yong)案(an)例(li)：

隨(sui)著月球(qiu)探測(ce)與資源(yuan)利(li)用(yong)需求(qiu)的(de)日(ri)益增長，對月壤水(shui)冰演(yan)化特(te)征與(yu)賦存狀態(tai)的深(shen)入研(yan)究(jiu)將成為(wei)月球(qiu)科(ke)學的(de)前沿課(ke)題。低(di)場(chang)核磁(ci)共振(zhen)技術(shu)憑(ping)借(jie)其無損(sun)、高(gao)靈敏(min)與(yu)實(shi)時(shi)監測(ce)的優(you)勢(shi)，正(zheng)逐步成(cheng)為(wei)模(mo)擬月壤水(shui)冰研(yan)究不可-或(huo)缺的工具。未(wei)來，結(jie)合更復雜的(de)環(huan)境(jing)模(mo)擬與(yu)多技術(shu)聯(lian)動，LF-NMR有望為(wei)月球(qiu)水(shui)資源(yuan)的(de)開(kai)發(fa)與利(li)用(yong)提(ti)供更(geng)加(jia)深(shen)入的(de)理論(lun)與實(shi)踐(jian)依(yi)據(ju)。