月壤材料極-端環(huán)境挑戰(zhàn)：低場(chǎng)核磁共振技術(shù)揭示凍融循環(huán)下的水分遷移奧秘

隨著月球探測(cè)任務(wù)的持續(xù)推進(jìn)，利用月壤資源開(kāi)展原位建造成為深空探索的關(guān)鍵技術(shù)。月壤即月球表面的覆蓋物質(zhì)，由于其稀缺性和不可-再生性，科學(xué)家通過(guò)地球材料配制出模擬月壤，用于開(kāi)發(fā)月壤燒結(jié)磚、月壤-水泥基復(fù)合材料和月壤-聚合物材料等建造材料。然而，月球極-端環(huán)境——晝夜溫差高達(dá)-173°C至127°C，導(dǎo)致材料內(nèi)部水分反復(fù)經(jīng)歷月壤低溫凍結(jié)與解凍過(guò)程，引發(fā)結(jié)構(gòu)損傷風(fēng)險(xiǎn)。在這一背景下，低場(chǎng)核磁共振技術(shù)以其無(wú)損、精準(zhǔn)的特性，成為追蹤水分遷移、評(píng)估微裂紋風(fēng)險(xiǎn)的突破性手段。

月壤與模擬月壤：地月研究的橋梁

月壤是月球表面由隕石撞擊、宇宙風(fēng)化等作用形成的細(xì)顆粒物質(zhì)。由于阿波羅計(jì)劃采集的月壤樣品極其有限，難以滿(mǎn)足大規(guī)模實(shí)驗(yàn)需求，模擬月壤應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)匹配月壤的礦物組成、顆粒形態(tài)和物理性質(zhì)，模擬月壤為地面實(shí)驗(yàn)提供了可行替代品。

月壤低溫凍結(jié)與凍融循環(huán)：材料隱憂(yōu)何在？

月球表面的極-端溫差使材料內(nèi)部水分經(jīng)歷劇烈的凍融循環(huán)。當(dāng)溫度降至冰點(diǎn)以下，水分凍結(jié)體積膨脹，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；溫度回升后冰層融化，水分重新分布。反復(fù)的相變過(guò)程導(dǎo)致材料內(nèi)部微裂紋萌生并擴(kuò)展，最終引發(fā)結(jié)構(gòu)失效。例如，月壤-水泥基材料若存在孔隙水，凍融循環(huán)可能使其韌性下降、滲透性升高，威脅構(gòu)筑物安全。

此外，月球重力僅地球1/6，低重力效應(yīng)可能影響水分分布與遷移規(guī)律。通過(guò)離心機(jī)模擬低重力環(huán)境，結(jié)合低場(chǎng)核磁共振技術(shù)，可研究水分在材料中的均勻性，為材料設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)：洞察水分遷移的“眼睛”

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)基于氫原子在磁場(chǎng)中的弛豫行為，通過(guò)檢測(cè)信號(hào)幅度與弛豫時(shí)間，可非侵入式地量化水分含量、狀態(tài)（自由水/束縛水）及空間分布。在月壤低溫凍結(jié)實(shí)驗(yàn)中，該技術(shù)能實(shí)時(shí)追蹤水分在凍結(jié)-融化過(guò)程中的動(dòng)態(tài)路徑：

相變過(guò)程可視化：LF-NMR通過(guò)T2弛豫譜區(qū)分液態(tài)與固態(tài)水，精準(zhǔn)捕捉凍結(jié)前沿的推進(jìn)速率。

微裂紋風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：水分遷移常伴隨應(yīng)力集中，LF-NMR信號(hào)變化可關(guān)聯(lián)微裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展，預(yù)警材料失效。

低重力環(huán)境模擬：結(jié)合離心裝置，LF-NMR可分析低重力下水分分布均勻性，優(yōu)化材料配比。

與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比，LF-NMR具備顯著優(yōu)勢(shì)：

無(wú)損檢測(cè)：避免取樣破壞樣本，支持長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；

高靈敏度：可識(shí)別微量水分及相變過(guò)程；

三維可視化：結(jié)合成像技術(shù)，呈現(xiàn)水分空間分布；

實(shí)時(shí)性：秒級(jí)數(shù)據(jù)采集，跟蹤快速凍融反應(yīng)。

而傳統(tǒng)方法如熱重分析或電子顯微鏡僅提供終點(diǎn)狀態(tài)信息，無(wú)法捕捉動(dòng)態(tài)過(guò)程；力學(xué)測(cè)試雖能評(píng)估性能衰減，但難以關(guān)聯(lián)水分遷移機(jī)制。

從月壤到模擬月壤，從地球?qū)嶒?yàn)室到月球環(huán)境，低場(chǎng)核磁共振技術(shù)正以其精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)的檢測(cè)能力，破解月壤低溫凍結(jié)與凍融循環(huán)下的材料退化謎題。隨著技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，它必將為地外建造材料的研發(fā)注入強(qiáng)大動(dòng)能，助力人類(lèi)在星辰大海中行穩(wěn)致遠(yuǎn)。