月壤玻璃广泛分布于月球表面，在月壤中的占比可达20-30 vol%。作为月球上非平衡过程的产物，月壤玻璃不仅能够提供关于月球内部演化与撞击历史的关键信息，也在月球资源开发利用领域展现出独特价值。例如，长期暴露于太阳风辐照（太阳风中91%为氢离子，8%为氦离子，其余为电子）的月壤玻璃能够保存大量太阳风注入的氢与氦-3，氢能够与月壤矿物反应产生水，氦-3则是一种重要的潜在能源。除此之外，太阳风辐照也对月壤玻璃的晶化行为造成显著影响。传统的非晶-纳米晶软磁材料的性能十分依赖退火晶化这一关键步骤，因此深入研究月壤玻璃的晶化行为不仅能够明确月壤玻璃的热稳定性等物性参数，同时有助于揭示离子辐照对玻璃态材料晶化行为的影响机制，为设计新型软磁材料提供了全新的思路。
近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所王军强研究员带领团队利用高分辨原位加热透射电镜对嫦娥五号月壤玻璃的结构与晶化行为进行深入研究。团队发现太阳风辐照在月壤玻璃靠近表面的区域诱导出大量尺寸为~2 nm的团簇（图1）。在升温过程中，这些纳米团簇作为形核位点，析出大量细小而均匀的纳米晶（尺寸为~10.40 nm），如图2所示。而月壤玻璃内部没有受到太阳风辐照的区域则在升温过程中产生尺寸较大的纳米晶（尺寸为~24.55 nm）。
以上结果表明太阳风辐照能够促进细小而均匀的纳米晶产生，受此启发，研究团队采用与太阳风成分类似的氢离子辐照Fe86B14（FeB）金属玻璃条带。经过氢离子辐照后的FeB金属玻璃表面产生了一层辐照层。经过纳米晶化后，FeB金属玻璃表面辐照层内产生了尺寸为5-8 nm的纳米晶，远小于内部未辐照区域的纳米晶尺寸（15-20 nm）。细小的纳米晶分布使辐照后的FeB金属玻璃表现出软磁性能的提升，10 kHz频率下的磁导率提升10.2%（图3）。因此，利用离子辐照调控Fe基金属玻璃的纳米晶化，进而提升软磁性能是一种设计新型软磁材料的有效方法。
研究成果以“From lunar glass to advanced metallic glass: dense nanocrystallization catalyzed by implanted ions”为题发表于Science China Materials，2025, 68(7): 2433–2441（DOI:10.1007/s40843-025-3354-3）。该论文的第一作者为宁波材料所博士研究生陈霄，通讯作者为哈尔滨工业大学黄永江教授、宁波材料所宋丽建研究员、张岩研究员、霍军涛研究员与王军强研究员。该研究工作得到了国家重点研发计划（2024YFB3813700）、国家自然科学基金（52231006、U24A201046、52222105、51922102）、浙江省自然科学基金（LZ22A030001、LR22E010004）与宁波市科技创新2025重大专项（20212ZDYF020030）的支持。
图1 月壤玻璃截面的结构。（a）太阳风对月壤玻璃结构影响的示意图。（b-c）月壤玻璃不同深度的高分辨TEM图，太阳风辐照诱发大量纳米团簇，团簇数量随深度增加而减少。（f）月壤靠近表面区域的EDS能谱，元素分布均匀。
图2 月壤玻璃靠近表面区域在原位加热过程中的高分辨TEM图以及晶粒尺寸分布和生长趋势。高分辨TEM图对应的温度如下：（a）473 K。（b）873 K。（c）933 K，此温度下团簇转变为纳米晶，出现明显晶格条纹。（d）953 K。（e）973 K。（f）993 K。（g）1033 K。（h）月壤玻璃靠近表面区域经过原位加热后的晶粒尺寸分布。（i）原位加热过程中纳米晶尺寸随温度的变化趋势。
图3 氢离子辐照对FeB金属玻璃晶化行为影响的示意图与高分辨TEM图。（a）未辐照FeB金属玻璃的高分辨TEM图。（b）未辐照FeB金属玻璃经过纳米晶化后的高分辨TEM图。（c）氢离子辐照后FeB金属玻璃的高分辨TEM图。（d）氢离子辐照后FeB金属玻璃经过纳米晶化后的高分辨TEM图。（e）未辐照FeB金属玻璃晶化示意图。（f）氢离子辐照后FeB金属玻璃晶化示意图。（g）未辐照与氢离子辐照后FeB金属玻璃经纳米晶化后的磁导率。
(陈霄)