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湖南日?qǐng)?bào)全媒體記者 王銘俊 通訊員 曾巧

8月28日，長(zhǎng)沙市城南中路，記者走進(jìn)省地質(zhì)院下屬單位省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心。

一間特別的實(shí)驗(yàn)室，能造出比純凈水還要“純”的溶液，有能稱出百萬(wàn)分之一克重量的天平。

這是建成于2024年7月的同位素超凈實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室建成一年后，應(yīng)用研究開(kāi)啟。

此刻，兩項(xiàng)看似不相關(guān)的研究正在這里悄悄揭開(kāi)地球的秘密：一項(xiàng)在解讀洞庭湖深處的“氣候日記”，一項(xiàng)在追溯華南地層里的“礦產(chǎn)密碼”。

而幫科研人員解鎖秘密的，是同一種神奇工具——同位素。

用同位素找到礦石的“時(shí)間坐標(biāo)”

?同位素?是?同一元素的不同原子形式。

“大家耳熟能詳，用來(lái)測(cè)文物‘年齡’的碳14就是同位素。”面對(duì)記者提問(wèn)，實(shí)驗(yàn)室博士呂串舉例。

碳是大家身邊常見(jiàn)的元素，但碳“這家人”很特別，家里有好幾個(gè)“兄弟”，如碳12、碳13、碳14。這三“兄弟”質(zhì)子數(shù)一樣，但中子數(shù)不同，就像同個(gè)爸媽生的孩子，身高、體重略有差別，但它們都是碳的同位素。

那碳14為啥能當(dāng)“文物時(shí)鐘”呢？

呂串介紹，這得從它的“脾氣”說(shuō)起。只要生物活著，就會(huì)不斷“更新”體內(nèi)的碳14，保持著和大氣中差不多的含量?？梢坏┥锼劳?，這套“更新系統(tǒng)”就停了，體內(nèi)的碳14慢慢“變少”。

比如一塊埋在地下的木頭，“活著”的時(shí)候和大氣里的碳14含量一樣；“死后”過(guò)了5730年，木頭里的碳14就歷經(jīng)一個(gè)半衰期，只剩原來(lái)的一半；再過(guò)5730年，就只剩1/4……

“我們只要測(cè)木頭里還剩多少碳14，就能倒推出它是幾千年前死亡的?！眳未嬖V記者，碳14也有“短板”——它的半衰期不算長(zhǎng)，要是測(cè)的物品超過(guò)5萬(wàn)年，剩下的碳14就少得幾乎測(cè)不出來(lái)。

不過(guò)，與實(shí)驗(yàn)室科研人員打交道的多為上億年的礦石。他們亟需找到礦石的“時(shí)間坐標(biāo)”，和周圍的地質(zhì)事件串成線。

“比如我們測(cè)出一塊礦石形成于2億年前，便能結(jié)合當(dāng)時(shí)的地質(zhì)演化、構(gòu)造活動(dòng)，構(gòu)建找礦模型?！眳未f(shuō)，當(dāng)這些線索湊在一起，就畫(huà)出了一張 “地質(zhì)藏寶圖”。

同位素還記著地質(zhì)樣品的出生地

礦石的年齡怎么測(cè)？

實(shí)驗(yàn)室臺(tái)面上，一塊剛從湘西土家族苗族自治州采回的礦石帶著泥土的潮氣。

它被精準(zhǔn)切下一小塊，放進(jìn)透明樹(shù)脂里。樹(shù)脂慢慢固結(jié)變硬，就成了一塊結(jié)實(shí)的巖石“三明治”——中間是巖片，外面裹著樹(shù)脂。

激光剝蝕系統(tǒng)的光束轟擊在“三明治”上。

“啪！”193納米的激光瞬間把這一點(diǎn)巖片打成了微米到納米級(jí)別的氣溶膠，順著細(xì)管“嗖嗖”地鉆進(jìn)隔壁的質(zhì)譜儀。鈾-238、鉛-206的同位素值，清晰地顯示在屏幕上。

“在我們看不到的地方，鈾正在慢慢變成鉛?！眳未忉?，“鈾性子倔，衰變速度從來(lái)不變。鈾-238經(jīng)過(guò)44.7億年，就會(huì)有一半變成鉛-206?！眱x器算得飛快，把巖片里鈾和鉛的含量一比，礦石的年齡就出來(lái)了——2億年。

同位素就像地球留下的“隱形筆記”，不僅記著物質(zhì)形成于多少年前，有的還記著它來(lái)自某地。

后者便是同位素的“示蹤”功能。

推開(kāi)實(shí)驗(yàn)室超凈室的門(mén)，就闖進(jìn)了同位素示蹤分析的“第一戰(zhàn)場(chǎng)”。野外采來(lái)的礦石被研磨成細(xì)粉，加入特殊酸試劑。

溶液里藏著不少搗亂的雜質(zhì)，這時(shí)“王牌選手”離子交換樹(shù)脂柱登場(chǎng)。它像磁鐵吸鐵釘一樣，把特定元素牢牢抓在自己的“網(wǎng)”里?？蒲腥藛T再換上不同的酸試劑當(dāng)“向?qū)А?，使溶液里的雜質(zhì)乖乖排好隊(duì)，一個(gè)接一個(gè)按順序“走”出來(lái)——最后接到的，就是非常純凈的單元素溶液了。

再慢慢蒸發(fā)掉多余的酸，省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心博士孔婷得到了濃縮的鎂溶液?！澳憧催@溶液，連一?；覊m都別想混進(jìn)來(lái)?！笨祖酶嬖V記者，這確保了鎂同位素的“指紋”不被任何雜質(zhì)污染。

撬出讓山野更豐饒、讓日子更明亮的答案

在超凈室里“修煉”完成的鎂溶液，被小心翼翼地放進(jìn)我省唯一一臺(tái)用于同位素示蹤的多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜儀。

鎂溶液順著管道進(jìn)入儀器。在高溫下，溶液迅速等離子化，鎂原子變成帶電的離子，飛向磁場(chǎng)。

不同的鎂同位素像不同體重的選手，在磁場(chǎng)里劃出不同的弧線，被儀器的多接收器精準(zhǔn)捕捉。

屏幕上跳出的比值數(shù)據(jù)，就是這塊巖石的“鎂指紋”——如果與張家界某片地層的“指紋”重合，說(shuō)明它的“老家”可能在那里；如果帶著海底火山巖的特征，那就暗示它們的形成與遠(yuǎn)古海底火山有關(guān)。

“不管是測(cè)文物、找礦產(chǎn)，還是追氣候，只要讀懂這些數(shù)據(jù)，就能揭開(kāi)藏在時(shí)光里的秘密?！睂?shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人彭君博士告訴記者，實(shí)驗(yàn)室建成一年后，正試圖翻開(kāi)洞庭湖深處的“氣候日記”。

答案藏在洞庭湖的沉積物里。水里的微生物死后會(huì)沉到湖底，它們體內(nèi)的碳、氧同位素“指紋”，能告訴科研人員2000年來(lái)水溫、降水的變化；沉積物里花粉的同位素，則能還原當(dāng)年這里是茂密森林還是成片農(nóng)田。

“于是，我們便能了解洞庭湖周邊是否出現(xiàn)過(guò)連年干旱；幾百年前的暴雨，是不是和現(xiàn)在的極端天氣有相似的規(guī)律?！迸砭f(shuō)，“這對(duì)生活在洞庭湖周邊的人太重要了?！?/span>

知道了答案，農(nóng)民便可以提前規(guī)劃種什么莊稼，城市能更科學(xué)地建防洪堤，甚至連候鳥(niǎo)遷徙的路線，都可能因這些發(fā)現(xiàn)而被更好地保護(hù)。

而對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的老本行找礦來(lái)說(shuō)，有了同位素的“指引”，既能找到致富的“金疙瘩”，又能減少盲目挖掘?qū)ι鷳B(tài)的傷害。

深夜，實(shí)驗(yàn)室的科研人員揉了揉眼睛，指尖劃過(guò)質(zhì)譜儀的屏幕。他們悄悄約定，明天，還要從微觀世界里，再撬出一點(diǎn)讓山野更豐饒、讓日子更明亮的答案。

作者：王銘俊

責(zé)編：王銘俊

一審：王銘俊

二審：劉文韜

三審：楊又華

來(lái)源：湖南日?qǐng)?bào)·新湖南客戶端