结晶是人类的生产生活中最重要的物理化学过程之一，决定着凝聚态物质的各种性质。晶体结构和生长机制对现代化学、矿物学、材料学、生物学、医药学和地球科学等众多领域的发展都至关重要。晶体生长机制的基本理论框架早在18世纪后期就已经确立，在后续的两百年里逐渐发展为经典晶体生长理论体系；近三十年来，随着纳米材料和生物材料科学的迅速发展，更多的非经典晶体生长机制也被提出，常见天然/合成框架内的晶体生长理论体系正在日趋完善。
    传统结晶生长过程均是在地球上获得的观察，而地球之外的其他天体环境中的晶体生长是否有别于地球还不得而知。例如离地球最近的月球，由于没有大气的保护，它的表面无时无刻不在遭受着（微）陨石和各种高能粒子的轰击；在轰击产生的极端高温、高压之下，月表晶体的粒径、形貌、生长方式和矿物组合都与地表晶体显示出了明显的差异。近期，通过对嫦娥五号月壤样品的细致研究，中国科学院广州地球化学研究所何宏平院士团队首次在月球样品中发现了一种奇特的晶体生长现象，即：月表的铬铁矿纳米晶体可以像雨后的蘑菇一样从橄榄石表面向外生长。

图1 “蘑菇”生长结构示意图

    为探究这些奇特的晶体生长现象的机制，研究团队采用原位聚焦离子束制样方法从嫦娥五号月壤角砾岩碎屑中提取样品，使用装载了电子能量损失谱探测系统的高分辨透射电镜对样品进行了微-纳米级矿物学研究。在样品中观察到了一种罕见的由铬铁矿-陨硫铁纳米球-零价铁纳米球组成的枝晶结构，它们如蘑菇一般从橄榄石表面垂直伸向玻璃中（如图1所示）。电镜下的结构和成分分析揭示了该“蘑菇”结构形成的过程：①碎屑遭受微陨石撞击，其所含Fe2+发生歧化反应，在熔融玻璃中产生纳米零价铁球（图2A）、纳米硫化铁球（图2B）或二者的不混溶复合体（图2C），以及少量Fe3+；②含铁的纳米球在高温下与橄榄石发生定向附着（图2D）；③定向附着产生了具有高势能的缺陷位点，橄榄石中的Cr3+和玻璃中的Fe2+向缺陷处聚集并结晶出铬铁矿（图2E-F）；④在非平衡条件下，铬铁矿以枝晶形态向玻璃中持续生长，将纳米球向外顶出（图2G），直到体系能量消耗至无法跨越结晶的能垒为止。该过程也得到了晶格失配度计算以及热力学模拟计算的支持。

图2 “蘑菇”生长结构示意图

    此研究提出了一种新的、发生在极端非平衡条件下的生长机制，该机制能够利用原有物相内部的杂质离子，在原物相之间的非均质界面上产生新的矿物相。这一发现首次证明定向附着不仅可以发生在均相体系中，也可以发生在多相体系中，该认识对现有非经典生长机制体系起到了重要的补充和开拓作用。考虑到月球表面遭受撞击的频率之高，可以想见这种机制可能在月球风化层中广泛发生，从而影响月表的矿物组成和元素分布。同时，此类“蘑菇”结构的出现还可能作为极端非平衡结晶的指标，并为后续针对无大气天体表面及其他极端条件下的晶体生长机制研究提供参考。

    相关研究成果发表于国际学术期刊《American Mineralogist》2025年第一期，该研究受到国家自然科学基金（41921003和42202039）、CAS青年创新促进会（2021353）、广州市科技计划项目资助（202201010385）和广东省科技计划项目（2023B122060048）等的联合资助。文中图2G被选为该期刊的本月度代表性图片。

论文信息：Jiaxin Xi(席佳鑫)†, Yiping Yang(杨宜坪)†, Hongping He(何宏平)*, Haiyang Xian(鲜海洋), Shan Li(李珊), Xiaoju Lin(林枭举), Jianxi Zhu(朱建喜), H. Henry Teng(滕辉). Mushroom-shaped Growth of Crystals on the Moon[J]. American Mineralogist, 2025, 110(1): 171–180.

原文链接：https://doi.org/10.2138/am-2023-9214.