来源 | Communications Materials

链接 | https://www.nature.com/articles/s43246-026-01126-9

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背景

航天、高精密制造等领域亟需超低热导率的绝热材料。人工气凝胶凭借95%–99%的高孔隙率，真空下热导率可达~10 mW/m·K，但进一步提升性能陷入瓶颈。月球月壤整体热导率仅0.57–3.41 mW/m·K，远低于气凝胶，传统观点将其归因于宏观多孔结构，但其微观隔热机理未被解析。月球凝集物是月球空间风化的特有产物，其独特微观结构与隔热性能的关联是研究核心。

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成果掠影

近日，中国科学院空间应用中心的张光、张鹏，清华大学王海东、曹炳阳以及中国科学院地球化学研究所的李阳研究团队，首次成功实现了嫦娥五号（CE5）月壤单颗粒的热导率精准测量。研究发现，月壤中胶结物颗粒在真空条件下的热导率低至约8 mW/m·K，孔隙率仅 7%–30%，其绝热性能比肩人造高性能气凝胶，是目前报道的热导率最低的天然物质。通过多尺度表征与模拟证实，空间风化锻造的多尺度孔隙与多相界面协同抑制声子传输，揭示了非孔隙率主导的隔热新机制，重构了超隔热材料的微观设计原则，也从颗粒尺度解释了月壤超低热导率的成因。这一突破不仅从微观颗粒尺度揭示了月壤极低热导率的成因和月表极端热环境的形成机制，也为研发新型极端环境绝热材料提供了重要的自然范本。研究成果以“A space-forged super-thermal insulating material—lunar agglutinates” 为题，发表于《Communications Materials》期刊。

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图文导读

图1 |空间风化过程引起的月球风化层颗粒的复杂表面形态。a，由微陨石撞击和太阳风照射形成的CE-5风化层颗粒的形态多样性。颗粒按外观和结构分类：玻璃珠、凝集物（复杂性最高）和岩石碎片（玄武岩碎片）。b、对原始CE-5样品进行气密性处理。c-e，代表性玻璃珠（glass#1-3）的扫描电镜（SEM）分析。f-i，显示熔融基质和嵌入矿物碎片的凝集颗粒（AGG.#1-4）。j-m，岩石碎片（岩石#1-4）。

图2 |三维重建揭示了月球风化层颗粒的内部结构。a、 AGG的三维形态和矿物学重建模型。#1，显示矿物相：Ol-Px（钙镁硅酸盐，28.88%）、Pl-Px（40.40%）、Ilm（1.28%）和玻璃（29.44%）。b、 ROCK#1矿物相重建模型：Ol-Px（46.37%）、Pl（24.29%）和Ilm（29.34%）。c、 GLASS#1的重建模型，由金属芯（23.83%）和玻璃y相（76.17%）组成。d、 #1–#4岩石碎片（4.02%）和#1–#3玻璃珠（1.38%）中孔隙或裂缝的平均体积分数为17.78%。矿物缩写：Ilm，钛铁矿；奥，橄榄石；Px，辉石；请，斜长石。

图3|月球风化层颗粒的热导率特征。a、悬挂式H型装置示意图：V1和V3用于测量两个标准电阻器两端的电压，以确定每个电路中的电流，而V2和V4用于测量施加到两个金纳米传感器上的电压。b，COMSOL模拟了273K.c下具有颗粒样品的H型器件的温度分布，温度依赖 凝集物（8-31mW/m.K，棕色），岩石碎片（27-79mW/m.K，蓝色）和玻璃珠（120-490 mW/m.K，绿色）从253 K到413 K。在这里，提出了一种新型的圆顶孔气凝胶材料，其导热系数为~13.4 mW/m.K在室温和真空条件下。

图4|月球风化层颗粒超低导热系数的微观机制。a、 结合纳米级界面热阻和微米级孔隙率效应的凝集物分层热抑制示意图。b、 斜长石-橄榄石（Pl-Ol）界面的非平衡分子动力学（NEMD）模拟。恒温热源和散热器被设置为在模型中形成温度梯度，其中热源/散热器和界面之间的距离被控制在大约10nm。c、 橄榄石/辉石（Ol/Px）、斜长石（Pl）和无定形玻璃相的晶体学模型，主要晶面以红色突出显示。d、 振动态密度（vDOS）证明了不同相位之间的声子模式失配。e、 273 K下Ol/Px、Pl和非晶玻璃相不同晶面组合形成的各种界面的热阻计算结果.