太空巖土—月壤、火星土壤等是覆蓋月球、火星表面的松散物質(zhì)，包含塵埃、沙子和巖石，對(duì)理解月球和火星地質(zhì)演化、載人探測、乃至星球移民至關(guān)重要。然而，直接獲取真實(shí)月壤、火星土壤等太空巖土樣本成本高昂且技術(shù)難度大，目前僅少數(shù)國家實(shí)現(xiàn)極少量月壤開采攜返地球，至于距離地球更加遙遠(yuǎn)的火星土壤只能通過探測器進(jìn)行有限的原位分析，尚未實(shí)現(xiàn)樣本返回任務(wù)，因此太空巖土模擬物成為可廣泛研究的載體。

低場核磁共振技術(shù)作為一種無損在線表征技術(shù)，適用于珍貴樣本，單次測試可獲取孔隙結(jié)構(gòu)、水分狀態(tài)、飽和度等多維度數(shù)據(jù)，全面評(píng)估物性參數(shù)。已廣泛應(yīng)用在能源巖土物性參數(shù)檢測方向，隨著人類不斷向太空進(jìn)行探索，低場核磁技術(shù)面對(duì)太空巖土及模擬物，具體可以做些什么呢？

1、水分分布與遷移機(jī)制：區(qū)分太空巖土吸附水與結(jié)合水，可分析水分賦存狀態(tài)（如凍土未凍水含量）及遷移行為，輔助評(píng)估地外水資源可利用性。

2、材料水化過程與強(qiáng)度分析：實(shí)時(shí)原位監(jiān)測火星土壤基、月壤基等太空巖土-復(fù)合水泥材料的水化過程，揭示水化程度與孔隙演化的關(guān)聯(lián)性，優(yōu)化材料配方。

3、孔隙結(jié)構(gòu)與孔隙率表征：低場核磁通過檢測氫質(zhì)子弛豫時(shí)間差異，可量化火星土壤基材料和月壤基材料（如燒結(jié)磚、水泥基復(fù)合材料）的孔隙分布、孔徑大小及孔隙率變化，直接關(guān)聯(lián)材料的力學(xué)性能和耐久性。

此外除以上基于太空巖土復(fù)合材料的性物性檢測，低場核磁可支持更多開放性研究課題。未來太空月球火星等，實(shí)現(xiàn)人員長期駐留乃至星球移民由于運(yùn)輸?shù)厍蛸Y源成本極高，需實(shí)現(xiàn)食物自給。利用月壤、火星土壤進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植成為核心解決方案。火星土壤如何吸附/保留水分、水形態(tài)（自由水、結(jié)合水）如何分布、物理結(jié)構(gòu)（疏水性）表征等課題需持續(xù)深入研究，從而有效指導(dǎo)火星土壤的改性方案，從而為植物生長提供理論依據(jù)。

現(xiàn)帶來一份基于低場核磁共振的火星土模擬物疏水性表征案例：

背景及樣品：

火星土壤具有特殊性：礦物組成以玄武巖為主，含橄欖石、輝石、磁鐵礦等鐵鎂礦物；高鹽堿化（含硫酸鹽、高氯酸鹽）、強(qiáng)疏水性、無有機(jī)質(zhì)及微生物群落，無法直接支持植物生長。利用低場核磁探究火星土壤模擬物對(duì)植物生長的影響，以及指導(dǎo)火星土壤如何進(jìn)行改性。目前全球已經(jīng)人工合成幾十種火星土壤模擬物，選擇具有代表性的火星土壤模擬物-MGS-1，作為研究對(duì)象。

核磁共振測量：

兩份火星土壤模擬物-MGS-1，樣品1含水率5.5%，樣品2含水率4.5%，且含有一定量的鐵磁性物質(zhì)，選用紐邁低場核磁小口徑線圈，使用FID序列對(duì)MGS-1進(jìn)行檢測，記錄自由感應(yīng)衰減信號(hào)：

圖中橫軸（X軸）為時(shí)間 （單位：毫秒），表示信號(hào)記錄的時(shí)間進(jìn)程。縱軸（Y軸）為NMR信號(hào)強(qiáng)度，反映樣品中氫核（質(zhì)子）的磁化強(qiáng)度變化。圖中FID信號(hào)為擬合曲線，強(qiáng)度隨時(shí)間推移呈現(xiàn)指數(shù)衰減趨勢，根據(jù)核磁信號(hào)顯示，僅檢測到緊密結(jié)合水，而未觀察到相對(duì)松散的結(jié)合水乃至自由水的信號(hào)。信號(hào)衰減速率較快（短弛豫時(shí)間），表明順磁性離子（如Fe2?）對(duì)信號(hào)有顯著影響，導(dǎo)致弛豫衰減加速。這與火星土壤富含鐵氧化物的特性一致。

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：

1、FID信號(hào)分析證實(shí)MGS-1具有高度疏水性：

僅存在緊密結(jié)合水，且水分子流動(dòng)性低，表明水分子與礦物表面的相互作用強(qiáng)，但水合位點(diǎn)稀少。水分存在的形態(tài)受限且結(jié)合緊密，其疏水性是阻礙植物生長的關(guān)鍵因素之一。

2、技術(shù)指導(dǎo)意義：

分析為理解火星土壤的水合機(jī)制提供了分子層面的依據(jù)，強(qiáng)調(diào)未來火星農(nóng)業(yè)需改良土壤疏水性（如添加有機(jī)質(zhì)或親水材料）。

如您對(duì)以上應(yīng)用感興趣，歡迎咨詢：18516712219