2022年北京“最美科技工作者” | 李獻華院士：測地球心率，讓月壤說話
在北京市委宣傳部、北京市科協(xié)等部門組織的遴選活動中，清華大學(xué)教授、中國工程院院士江億等10名同志當選2022年北京“最美科技工作者”，并將作為2022年全國“最美科技工作者”候選人向中國科協(xié)推薦。讓我們一起來了解最美科技工作者的感人事跡，體悟他們身上的“愛國、創(chuàng)新、求實、奉獻、協(xié)作、育人”科學(xué)家精神。
為記錄地球脈動翻山越嶺，為研究月壤深耕40余載，用潛心研究實現(xiàn)舉世矚目的中國速度，他就是2022年北京最美科技工作者——李獻華。
撰文/記者 趙玲 圖文編輯/陳永杰
40年來，他沉浸在測量地球巖石的年齡，研究地球“心跳節(jié)律”，加深科學(xué)界對地球演化的認識；“十年磨一劍”，他在離子探針定年技術(shù)領(lǐng)域啃下硬骨頭，在保持分析精度的同時將測量的空間分辨率提高到3μm(微米)以內(nèi)，達到世界領(lǐng)先水平；機遇恰逢其時，粒度極細小的“嫦娥五號”樣品亟待測年，他應(yīng)用最新技術(shù)給月壤快速測年，刷新月球巖漿活動-熱演化歷史紀錄，創(chuàng)造了月壤研究的“中國速度”，展現(xiàn)了中國科研人員的學(xué)術(shù)擔當。
他就是中國科學(xué)院院士，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員，中國科學(xué)院大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師李獻華。日前，在北京市委宣傳部、市科協(xié)等部門組織開展的遴選活動中，李獻華當選2022年北京“最美科技工作者”。
月壤研究的“中國速度”
“太細了！”這是李獻華第一次看到月壤的真實感受。
2020年12月，“嫦娥五號”將月壤帶回地球，牽動了全世界的目光。
2021年7月12日，第一批“嫦娥五號”月球科研樣品發(fā)放給13家科研機構(gòu)，李獻華拿到了他申請的3g樣品，第一次越過照片，親眼見到這些“天外來客”。
“嫦娥五號”月壤的平均粒度非常小，約為50μm，肉眼看上去比面粉還要細。它們被裝在玻璃瓶中，一些細碎的黑色顆粒貼在玻璃壁上，讓人不敢輕易開啟瓶蓋，就怕它們隨之“飄出”瓶外?！八鼈兏袷且粚踊覊m，”李獻華伸出手掌，做了個吹氣的動作，“這樣吹口氣就沒了?！?/p>
每一粒月壤都很珍貴，每一粒月壤研究的問題都不同。對于李獻華團隊來說，他們要做的是測出月壤的年齡，進一步提高對月球演化的了解。
給礦物測定年齡，要采用放射性同位素年代學(xué)方法，最好的樣品就是含鋯的礦物顆粒，但月壤如此細小，如何挑出最合適的樣品成了關(guān)鍵?！跋胂肟?，就像一堆‘白面粉’里有幾顆‘黑面粉’，挑選難度非常大。”李獻華說。
所幸團隊中“臥虎藏龍”，樣品制備專家既能盯著放大上百倍的雙目鏡，手捏極細不銹鋼針精準挑揀，又能克服樣品尺寸難題，將挑選出的細玄武巖巖屑規(guī)律整齊地制備成樣品靶，因此，實驗快速推進到正式測年的步驟。
然而到這里，研究才剛剛開始。要探出玄武巖背后的故事，必須要有讓它“顯形”的利器，也就是李獻華團隊手握的國際領(lǐng)先技術(shù)——離子探針超高空間分辨率定年技術(shù)。
由于離子探針測定礦物年齡時需要樣品導(dǎo)電，所以研究團隊在樣品靶鍍了一層約就是20nm（納米）厚的金使其導(dǎo)電，再放入離子探針，用氧離子束“打”到礦物上，“輕輕掃掉”表面上的金，然后測量礦物的鉛同位素組成并計算年齡?！爸砸獙ふ液喌V物，是因為這種礦物形成時富集鈾，但不含鉛，因此離子探針測得的鉛基本上都是放射成因的，可以獲得可靠的同位素定年結(jié)果?！?李獻華解釋說。
▲在北京廣播電視臺舉行的“筑夢·啟航——2022北京最美科技工作者學(xué)習宣傳活動”中，李獻華為觀眾講解研究月壤的過程（供圖/李獻華）
工欲善其事，必先利其器。不難看出，離子探針的分辨率至關(guān)重要。因為含鋯礦物通常只有幾微米的寬度，這時離子探針的分析束斑要非常小，才能準確覆蓋礦物，束斑過大會分析到覆蓋于礦物顆粒間或縫隙中可能遺留的微量金（含有極微量的鉛），就有可能計入不屬于月球樣品的鉛，從而影響測年結(jié)果。
李獻華團隊使用的離子探針分析束斑直徑小于3μm，是目前國際上最高空間分辨率的高精度離子探針定年技術(shù)?！皺C會總是留給有準備的人?！崩瞰I華感慨道。是啊，他和團隊長期研究同位素定年新技術(shù)新方法，用了3年時間將高精度U-Pb同位素體系定年的空間分辨率從傳統(tǒng)的10μm提高到5μm，又用了10年時間，將離子空間分辨率進一步提高到小于3μm的國際領(lǐng)先水平。這項技術(shù)發(fā)表于2020年，而就在2020年年末，“嫦娥五號”帶回月壤樣品，李獻華團隊的新技術(shù)當仁不讓地提供了技術(shù)支持。
終于，2021年7月14日15時5分，李獻華與團隊骨干一起站在中國科學(xué)院地質(zhì)地球所離子探針實驗室的操作臺前，等到了“嫦娥五號”玄武巖第一個定年數(shù)據(jù)，此時，距離他們拿到樣品只過去了53個小時。
兩小時后，他們又獲得了第一個H同位素數(shù)據(jù)；第7天，他們完成了全部預(yù)定分析任務(wù)；對獲得的新數(shù)據(jù)進行解讀、研討和論文寫作后，他們在7月28日-30日投稿了3篇研究論文；10月19日，3篇論文在Nature（《自然》）同時在線發(fā)表……
他們的研究結(jié)果揭示了“嫦娥五號”玄武巖形成于20億年前，是目前月球上確定的最年輕火山巖，將月球上的火山作用持續(xù)時間延長了8億年，刷新了以往對月球年輕玄武巖源區(qū)組成和形成機制的認識，為今后的月球探測和月球演化提出了新的科學(xué)問題和研究方向。他們在這項研究中創(chuàng)造的“中國速度”，也展現(xiàn)了中國科研人員的學(xué)術(shù)擔當，展示了我國月球樣品研究的學(xué)術(shù)實力。
繞了一個圈，終圓“月球夢”
值得一提的是，在被提取出“中國速度”“刷新月球巖漿-熱演化歷史紀錄”等特點的這一批研究任務(wù)上，李獻華團隊只用了0.15g月球樣品，“月球樣品極其珍貴，要最大限度減少損耗。當時我們借了3g樣品，歸還了2.85g?！彼f。
用這么少的樣品就取得了這樣突出的成果？很多人以為李獻華一定是專攻月球的研究者。但事實是，在月球研究上，他笑稱自己只是一個“新手”，因為他其實是一位研究地球的地質(zhì)學(xué)家。
但他與月球著實是有緣分的，這里面還有一段“陰差陽錯”的小故事。
1979年，李獻華高中畢業(yè)，因為分數(shù)不錯，中國科技大學(xué)的招生老師到他們中學(xué)來說：“你的考分可以上中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，你的各科成績我看了，可以選擇地球和空間科學(xué)系、生物系或近代力學(xué)系?！彼陌嘀魅卫蠋熃ㄗh道：“當然選地球和空間科學(xué)系了！將來可以到太空、到月球上去?！本瓦@樣，李獻華選擇了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)系。大學(xué)期間，受到《月質(zhì)學(xué)研究進展》這本書的影響，他想要報考中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所歐陽自遠老師的天體化學(xué)專業(yè)研究生，沒想到卻被調(diào)劑到同位素地球化學(xué)專業(yè)。
▲2011年10月李獻華在離子探針實驗室工作（供圖/李獻華）
就這樣，這位有著“月球夢”的學(xué)者進入了地球化學(xué)專業(yè)，從事同位素年代學(xué)研究，并迅速從中找到了樂趣。他這樣描述自己的研究領(lǐng)域：“打個比方，我們見到一位老人家，會很自然地問人家高壽，見到一個小朋友，也會問小朋友幾歲了，這是我們認識一個人直觀想了解的信息。同樣的道理，我們也會想要了解每一塊巖石，每一個礦物，每一種地質(zhì)作用形成的時間，了解它們的年齡，這就需要做同位素地質(zhì)年代學(xué)研究。”
40年來，給地球巖石做測年就是他的主要工作。同時，他不可避免地對月球、火星上的巖石產(chǎn)生了興趣。“嫦娥五號”月壤的測年給了他一個全新的機會，能夠真正接觸到這些“天外來客”，將同位素年代學(xué)研究應(yīng)用到別的星球土壤上，也一圓自己的“月球夢”。
歐陽自遠老師也在“嫦娥五號”月壤測年的科研攻關(guān)團隊中。前不久，李獻華跟歐陽老師談起當年時說：“歐陽老師，當年我考你研究生的時候你沒收我，現(xiàn)在我要做月壤研究了，你可得重新教我了。”一句話讓歐陽老師也笑了。繞了40年，兜了一大圈，李獻華還是繞回了月球研究。
找歐陽老師“補課”，這可不是李獻華在開玩笑。因為給月壤測年包含兩方面含義：其一當然是運用專業(yè)技術(shù)測定巖石年份，這是技術(shù)問題；其二就是科學(xué)問題了——他們測定出的年齡意味著什么？比如說測出了這個玄武巖年齡是20億年，這對月球研究來說有著什么樣的意義？在學(xué)術(shù)界起到怎樣的作用？這些都是月球研究“門外漢”李獻華需要學(xué)習的知識。正是得益于他積極主動的學(xué)習，團隊才能在離子探針定年技術(shù)取得突破的基礎(chǔ)上，快速完成月球樣品測年后的論文撰寫，科學(xué)地講述“月球故事”。
“世界那么大，你不想去看看嗎？”
雖然自己與地球科學(xué)的結(jié)緣實屬意外，但40載科研歲月，不是發(fā)自內(nèi)心的熱愛是無法走得這么遠的。李獻華將自己和研究領(lǐng)域的關(guān)系笑稱為“先結(jié)婚后戀愛”，可以說，熱愛是他科研工作的源動力。
每當提起地質(zhì)考察，野外探索，他總是興致勃勃，精神滿滿?！笆澜缒敲创?，你不想去看看嗎？”他笑著問道。在他看來，野外工作雖然辛苦，但可以去到很多人去不了的地方，見到很多人看不到的風景，思想也會變得更加開闊。
▲2005年10月，李獻華在西澳大利亞野外考察（供圖/李獻華）
2019年9月，李獻華去加拿大阿卡斯達（Acasta）地區(qū)考察。這是地球上目前已知的、唯一有40億年巖石出露的地方，其珍稀程度不言自明。因為此地非?？拷睒O圈，考察期間，在珍貴的巖石之外，李獻華還收獲了意外的驚喜：他在野外倚著帳篷，烤著篝火，見到了絢爛的極光。這次經(jīng)歷令他久久難忘。
下一步，他還想去格陵蘭島西部。目前地球上存在38億年以前古老巖石的地區(qū)不超過五六個，格陵蘭島西部就是其中之一，但這里的38億年古老巖石出露規(guī)模最大，達到公里級，令李獻華向往不已。因為星球是有生命的，會成長、有演化、會死亡，每一次給新的巖石測年，就仿佛是在捕捉地球的“脈搏”，傾聽以億萬年為單位的古老故事，這是一件多么令人心馳神往的事??！
在同位素年代學(xué)研究中，野外考察固然重要，但實驗室中新技術(shù)的研發(fā)也不可或缺。為了促進我國同位素地球化學(xué)學(xué)科的整體發(fā)展，李獻華先后領(lǐng)銜建設(shè)了中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素地球化學(xué)青年實驗室和中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所離子探針實驗室，研發(fā)出多項國際領(lǐng)先水平的微區(qū)原位同位素定年新技術(shù)新方法，促進了科研成果的產(chǎn)出。后來，許多國外科學(xué)家前來學(xué)習和應(yīng)用這些“中國方法”，我國同位素地球化學(xué)實驗室的國際地位和聲望越來越高。
擔任實驗室主任期間，李獻華十年如一日，在方法研發(fā)和技術(shù)升級上親力親為，精益求精。他上班第一件事和下班前最后一件事都是到實驗室查看儀器運行情況、檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量，學(xué)生們也在耳濡目染中傳承著他對實驗數(shù)據(jù)的高標準和嚴要求。他常說：“一個實驗室出好數(shù)據(jù)不難，難的是天天出好數(shù)據(jù)、不出錯數(shù)據(jù)?！?/p>
正是在這樣嚴格的學(xué)術(shù)精神下，團隊近年來取得了不菲的成果：他們最早確認華夏陸塊存在太古代地殼物質(zhì)，將Rodinia超大陸聚合時間從10億年修訂至9億年；精確測定了華南新元古代冰期的起始年齡，為雪球地球理論和地質(zhì)年表成冰系時代的修訂提供了關(guān)鍵年代學(xué)證據(jù)……
“興趣是最大的動力，尤其是對于年輕人來說。”李獻華非常樂于在自己能力范圍內(nèi)幫助熱愛地質(zhì)和有想法的年輕人。他常常說自己年輕的時候受過很多老師的無私幫助和關(guān)照，所以現(xiàn)在要盡量關(guān)心幫助年輕人。同時他認為教書育人是一個“把書本念薄，又念厚的過程”，在教學(xué)的過程中自己也能不斷溫故知新。
他非常重視培養(yǎng)年輕一代的科學(xué)家。因為“科學(xué)研究就像4×100m接力，任何人在自己的棒次都不能掉棒，但是也一定要安穩(wěn)交棒，1個人跑400m不可能比4個人跑4×100m接力更快”。他希望在地球科學(xué)領(lǐng)域培養(yǎng)出越來越多的優(yōu)秀人才，共同參與到測量和研究地球“心跳節(jié)律”的事業(yè)中來，展現(xiàn)地質(zhì)人的風采，為提高人類對地球演化的認識做出貢獻。
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