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2022年北京“最美科技工作者” | 李献华院士：测地球心率，让月壤说话
来源：互联网
2024-11-12 00:13:13 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们
在5月30日第六个“全国科技工作者日”前夕，由市委宣传部、北京市科协等部门组织遴选的2022年北京“最美科技工作者”名单揭晓。清华大学教授、中国工程院院士江亿等10位科技工作者当选，并将作为2022年全国“最美科技工作者”候选人向中国科协推荐。让我们一起来了解最美科技工作者的感人事迹，体悟他们身上的“爱国、创新、求实、奉献、协作、育人”科学家精神。
撰文/记者 赵玲 图文编辑/陈永杰
新媒体编辑/李云凤
为记录地球脉动翻山越岭，为研究月壤深耕40余载，用潜心研究实现举世瞩目的中国速度，他就是2022年北京最美科技工作者——李献华。
40年来，他沉浸在测量地球岩石的年龄，研究地球“心跳节律”，加深科学界对地球演化的认识；“十年磨一剑”，他在离子探针定年技术领域啃下硬骨头，在保持分析精度的同时将测量的空间分辨率提高到3μm(微米)以内，达到世界领先水平；机遇恰逢其时，粒度极细小的“嫦娥五号”样品亟待测年，他应用最新技术给月壤快速测年，刷新月球岩浆活动-热演化历史纪录，创造了月壤研究的“中国速度”，展现了中国科研人员的学术担当。
他就是中国科学院院士，中国科学院地质与地球物理研究所研究员，中国科学院大学教授、博士生导师李献华。日前，在北京市委宣传部、市科协等部门组织开展的遴选活动中，李献华当选2022年北京“最美科技工作者”。
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月壤研究的“中国速度”
“太细了！”这是李献华第一次看到月壤的真实感受。
2020年12月，“嫦娥五号”将月壤带回地球，牵动了全世界的目光。
2021年7月12日，第一批“嫦娥五号”月球科研样品发放给13家科研机构，李献华拿到了他申请的3g样品，第一次越过照片，亲眼见到这些“天外来客”。
“嫦娥五号”月壤的平均粒度非常小，约为50μm，肉眼看上去比面粉还要细。它们被装在玻璃瓶中，一些细碎的黑色颗粒贴在玻璃壁上，让人不敢轻易开启瓶盖，就怕它们随之“飘出”瓶外。“它们更像是一层灰尘，”李献华伸出手掌，做了个吹气的动作，“这样吹口气就没了。”
每一粒月壤都很珍贵，每一粒月壤研究的问题都不同。对于李献华团队来说，他们要做的是测出月壤的年龄，进一步提高对月球演化的了解。
给矿物测定年龄，要采用放射性同位素年代学方法，最好的样品就是含锆的矿物颗粒，但月壤如此细小，如何挑出最合适的样品成了关键。“想想看，就像一堆‘白面粉’里有几颗‘黑面粉’，挑选难度非常大。”李献华说。
所幸团队中“卧虎藏龙”，样品制备专家既能盯着放大上百倍的双目镜，手捏极细不锈钢针精准挑拣，又能克服样品尺寸难题，将挑选出的细玄武岩岩屑规律整齐地制备成样品靶，因此，实验快速推进到正式测年的步骤。
然而到这里，研究才刚刚开始。要探出玄武岩背后的故事，必须要有让它“显形”的利器，也就是李献华团队手握的国际领先技术——离子探针超高空间分辨率定年技术。
由于离子探针测定矿物年龄时需要样品导电，所以研究团队在样品靶镀了一层约就是20nm（纳米）厚的金使其导电，再放入离子探针，用氧离子束“打”到矿物上，“轻轻扫掉”表面上的金，然后测量矿物的铅同位素组成并计算年龄。“之所以要寻找含锆矿物，是因为这种矿物形成时富集铀，但不含铅，因此离子探针测得的铅基本上都是放射成因的，可以获得可靠的同位素定年结果。” 李献华解释说。
▲在北京广播电视台举行的“筑梦·启航——2022北京最美科技工作者学习宣传活动”中，李献华为观众讲解研究月壤的过程（供图/李献华）
工欲善其事，必先利其器。不难看出，离子探针的分辨率至关重要。因为含锆矿物通常只有几微米的宽度，这时离子探针的分析束斑要非常小，才能准确覆盖矿物，束斑过大会分析到覆盖于矿物颗粒间或缝隙中可能遗留的微量金（含有极微量的铅），就有可能计入不属于月球样品的铅，从而影响测年结果。
李献华团队使用的离子探针分析束斑直径小于3μm，是目前国际上最高空间分辨率的高精度离子探针定年技术。“机会总是留给有准备的人。”李献华感慨道。是啊，他和团队长期研究同位素定年新技术新方法，用了3年时间将高精度U-Pb同位素体系定年的空间分辨率从传统的10μm提高到5μm，又用了10年时间，将离子空间分辨率进一步提高到小于3μm的国际领先水平。这项技术发表于2020年，而就在2020年年末，“嫦娥五号”带回月壤样品，李献华团队的新技术当仁不让地提供了技术支持。
终于，2021年7月14日15时5分，李献华与团队骨干一起站在中国科学院地质地球所离子探针实验室的操作台前，等到了“嫦娥五号”玄武岩第一个定年数据，此时，距离他们拿到样品只过去了53个小时。
两小时后，他们又获得了第一个H同位素数据；第7天，他们完成了全部预定分析任务；对获得的新数据进行解读、研讨和论文写作后，他们在7月28日-30日投稿了3篇研究论文；10月19日，3篇论文在Nature（《自然》）同时在线发表……
他们的研究结果揭示了“嫦娥五号”玄武岩形成于20亿年前，是目前月球上确定的最年轻火山岩，将月球上的火山作用持续时间延长了8亿年，刷新了以往对月球年轻玄武岩源区组成和形成机制的认识，为今后的月球探测和月球演化提出了新的科学问题和研究方向。他们在这项研究中创造的“中国速度”，也展现了中国科研人员的学术担当，展示了我国月球样品研究的学术实力。
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绕了一个圈，终圆“月球梦”
值得一提的是，在被提取出“中国速度”“刷新月球岩浆-热演化历史纪录”等特点的这一批研究任务上，李献华团队只用了0.15g月球样品，“月球样品极其珍贵，要最大限度减少损耗。当时我们借了3g样品，归还了2.85g。”他说。
用这么少的样品就取得了这样突出的成果？很多人以为李献华一定是专攻月球的研究者。但事实是，在月球研究上，他笑称自己只是一个“新手”，因为他其实是一位研究地球的地质学家。
但他与月球着实是有缘分的，这里面还有一段“阴差阳错”的小故事。
1979年，李献华高中毕业，因为分数不错，中国科技大学的招生老师到他们中学来说：“你的考分可以上中国科学技术大学，你的各科成绩我看了，可以选择地球和空间科学系、生物系或近代力学系。”他的班主任老师建议道：“当然选地球和空间科学系了！将来可以到太空、到月球上去。”就这样，李献华选择了中国科学技术大学地球和空间科学系。大学期间，受到《月质学研究进展》这本书的影响，他想要报考中国科学院地球化学研究所欧阳自远老师的天体化学专业研究生，没想到却被调剂到同位素地球化学专业。
▲2011年10月李献华在离子探针实验室工作（供图/李献华）
就这样，这位有着“月球梦”的学者进入了地球化学专业，从事同位素年代学研究，并迅速从中找到了乐趣。他这样描述自己的研究领域：“打个比方，我们见到一位老人家，会很自然地问人家高寿，见到一个小朋友，也会问小朋友几岁了，这是我们认识一个人直观想了解的信息。同样的道理，我们也会想要了解每一块岩石，每一个矿物，每一种地质作用形成的时间，了解它们的年龄，这就需要做同位素地质年代学研究。”
40年来，给地球岩石做测年就是他的主要工作。同时，他不可避免地对月球、火星上的岩石产生了兴趣。“嫦娥五号”月壤的测年给了他一个全新的机会，能够真正接触到这些“天外来客”，将同位素年代学研究应用到别的星球土壤上，也一圆自己的“月球梦”。
欧阳自远老师也在“嫦娥五号”月壤测年的科研攻关团队中。前不久，李献华跟欧阳老师谈起当年时说：“欧阳老师，当年我考你研究生的时候你没收我，现在我要做月壤研究了，你可得重新教我了。”一句话让欧阳老师也笑了。绕了40年，兜了一大圈，李献华还是绕回了月球研究。
找欧阳老师“补课”，这可不是李献华在开玩笑。因为给月壤测年包含两方面含义：其一当然是运用专业技术测定岩石年份，这是技术问题；其二就是科学问题了——他们测定出的年龄意味着什么？比如说测出了这个玄武岩年龄是20亿年，这对月球研究来说有着什么样的意义？在学术界起到怎样的作用？这些都是月球研究“门外汉”李献华需要学习的知识。正是得益于他积极主动的学习，团队才能在离子探针定年技术取得突破的基础上，快速完成月球样品测年后的论文撰写，科学地讲述“月球故事”。
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“世界那么大，你不想去看看吗？”
虽然自己与地球科学的结缘实属意外，但40载科研岁月，不是发自内心的热爱是无法走得这么远的。李献华将自己和研究领域的关系笑称为“先结婚后恋爱”，可以说，热爱是他科研工作的源动力。
每当提起地质考察，野外探索，他总是兴致勃勃，精神满满。“世界那么大，你不想去看看吗？”他笑着问道。在他看来，野外工作虽然辛苦，但可以去到很多人去不了的地方，见到很多人看不到的风景，思想也会变得更加开阔。
▲2005年10月，李献华在西澳大利亚野外考察（供图/李献华）
2019年9月，李献华去加拿大阿卡斯达（Acasta）地区考察。这是地球上目前已知的、唯一有40亿年岩石出露的地方，其珍稀程度不言自明。因为此地非常靠近北极圈，考察期间，在珍贵的岩石之外，李献华还收获了意外的惊喜：他在野外倚着帐篷，烤着篝火，见到了绚烂的极光。这次经历令他久久难忘。
下一步，他还想去格陵兰岛西部。目前地球上存在38亿年以前古老岩石的地区不超过五六个，格陵兰岛西部就是其中之一，但这里的38亿年古老岩石出露规模最大，达到公里级，令李献华向往不已。因为星球是有生命的，会成长、有演化、会死亡，每一次给新的岩石测年，就仿佛是在捕捉地球的“脉搏”，倾听以亿万年为单位的古老故事，这是一件多么令人心驰神往的事啊！
在同位素年代学研究中，野外考察固然重要，但实验室中新技术的研发也不可或缺。为了促进我国同位素地球化学学科的整体发展，李献华先后领衔建设了中国科学院广州地球化学研究所同位素地球化学青年实验室和中国科学院地质与地球物理所离子探针实验室，研发出多项国际领先水平的微区原位同位素定年新技术新方法，促进了科研成果的产出。后来，许多国外科学家前来学习和应用这些“中国方法”，我国同位素地球化学实验室的国际地位和声望越来越高。
担任实验室主任期间，李献华十年如一日，在方法研发和技术升级上亲力亲为，精益求精。他上班第一件事和下班前最后一件事都是到实验室查看仪器运行情况、检查数据质量，学生们也在耳濡目染中传承着他对实验数据的高标准和严要求。他常说：“一个实验室出好数据不难，难的是天天出好数据、不出错数据。”
正是在这样严格的学术精神下，团队近年来取得了不菲的成果：他们最早确认华夏陆块存在太古代地壳物质，将Rodinia超大陆聚合时间从10亿年修订至9亿年；精确测定了华南新元古代冰期的起始年龄，为雪球地球理论和地质年表成冰系时代的修订提供了关键年代学证据……
“兴趣是最大的动力，尤其是对于年轻人来说。”李献华非常乐于在自己能力范围内帮助热爱地质和有想法的年轻人。他常常说自己年轻的时候受过很多老师的无私帮助和关照，所以现在要尽量关心帮助年轻人。同时他认为教书育人是一个“把书本念薄，又念厚的过程”，在教学的过程中自己也能不断温故知新。
他非常重视培养年轻一代的科学家。因为“科学研究就像4×100m接力，任何人在自己的棒次都不能掉棒，但是也一定要安稳交棒，1个人跑400m不可能比4个人跑4×100m接力更快”。他希望在地球科学领域培养出越来越多的优秀人才，共同参与到测量和研究地球“心跳节律”的事业中来，展现地质人的风采，为提高人类对地球演化的认识做出贡献。
出品：科普中央厨房
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