前沿应用|太空岩土探索—基于低场核磁共振的火星土壤模拟物疏水性表征研究

太空岩土—月壤、火星土壤等是覆盖月球、火星表面的松散物质，包含尘埃、沙子和岩石，对理解月球和火星地质演化、载人探测、乃至星球移民至关重要。然而，直接获取真实月壤、火星土壤等太空岩土样本成本高昂且技术难度大，目前仅少数国家实现极少量月壤开采携返地球，至于距离地球更加遥远的火星土壤只能通过探测器进行有限的原位分析，尚未实现样本返回任务，因此太空岩土模拟物成为可广泛研究的载体。

低场核磁共振技术作为一种无损在线表征技术，适用于珍贵样本，单次测试可获取孔隙结构、水分状态、饱和度等多维度数据，全面评估物性参数。已广泛应用在能源岩土物性参数检测方向，随着人类不断向太空进行探索，低场核磁技术面对太空岩土及模拟物，具体可以做些什么呢？

1、水分分布与迁移机制：区分太空岩土吸附水与结合水，可分析水分赋存状态（如冻土未冻水含量）及迁移行为，辅助评估地外水资源可利用性。

2、材料水化过程与强度分析：实时原位监测火星土壤基、月壤基等太空岩土-复合水泥材料的水化过程，揭示水化程度与孔隙演化的关联性，优化材料配方。

3、孔隙结构与孔隙率表征：低场核磁通过检测氢质子弛豫时间差异，可量化火星土壤基材料和月壤基材料（如烧结砖、水泥基复合材料）的孔隙分布、孔径大小及孔隙率变化，直接关联材料的力学性能和耐久性。

此外除以上基于太空岩土复合材料的性物性检测，低场核磁可支持更多开放性研究课题。未来太空月球火星等，实现人员长期驻留乃至星球移民由于运输地球资源成本极高，需实现食物自给。利用月壤、火星土壤进行农业种植成为核心解决方案。火星土壤如何吸附/保留水分、水形态（自由水、结合水）如何分布、物理结构（疏水性）表征等课题需持续深入研究，从而有效指导火星土壤的改性方案，从而为植物生长提供理论依据。

现带来一份基于低场核磁共振的火星土模拟物疏水性表征案例：

背景及样品：

火星土壤具有特殊性：矿物组成以玄武岩为主，含橄榄石、辉石、磁铁矿等铁镁矿物；高盐碱化（含硫酸盐、高氯酸盐）、强疏水性、无有机质及微生物群落，无法直接支持植物生长。利用低场核磁探究火星土壤模拟物对植物生长的影响，以及指导火星土壤如何进行改性。目前全球已经人工合成几十种火星土壤模拟物，选择具有代表性的火星土壤模拟物-MGS-1，作为研究对象。

核磁共振测量：

两份火星土壤模拟物-MGS-1，样品1含水率5.5%，样品2含水率4.5%，且含有一定量的铁磁性物质，选用万象城平台低场核磁小口径线圈，使用FID序列对MGS-1进行检测，记录自由感应衰减信号：

图中横轴（X轴）为时间 （单位：毫秒），表示信号记录的时间进程。纵轴（Y轴）为NMR信号强度，反映样品中氢核（质子）的磁化强度变化。图中FID信号为拟合曲线，强度随时间推移呈现指数衰减趋势，根据核磁信号显示，仅检测到紧密结合水，而未观察到相对松散的结合水乃至自由水的信号。信号衰减速率较快（短弛豫时间），表明顺磁性离子（如Fe²⁺）对信号有显著影响，导致弛豫衰减加速。这与火星土壤富含铁氧化物的特性一致。

关键发现：

1、FID信号分析证实MGS-1具有高度疏水性：

仅存在紧密结合水，且水分子流动性低，表明水分子与矿物表面的相互作用强，但水合位点稀少。水分存在的形态受限且结合紧密，其疏水性是阻碍植物生长的关键因素之一。

2、技术指导意义：

分析为理解火星土壤的水合机制提供了分子层面的依据，强调未来火星农业需改良土壤疏水性（如添加有机质或亲水材料）。

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