【中國青年科技獎系列報導】毛竹:探秘地球的前世今生

地球是人類居住的唯一場所，為人類提供了生活必需的糧食、水、能源和礦產資源，同時也給人類帶來了諸如火山、地震、海嘯等災難。人類如同嚮往太空一樣，對地球的深部充滿著好奇。

地球科學是一門古老而又年輕的科學，自人類在地球上誕生、繁衍和發展以來，就對自己賴以生存的地球進行了不倦的探索。從地球的起源到演化，從地球的板塊構造到其各圈層的物理化學結構，從對地球資源的認知到其開發利用……地球科學是關係人類生存和發展的重要學科。

古往今來，探知人類居住的地球的內部結構和組成，是無數學者的奮鬥目標。第十六屆中國青年科技獎得主、中國科學技術大學地空學院80後教授毛竹就是其中一位。

以「實驗」為經  用數據認識地球

現代科學對地球的內部結構已具有統一的認知：地球內部由地殼、地幔和地核三部分構成。可是這三部分圈層結構是如何形成的、內部物質組成到底是什麼……還有很多未解之謎。

說到認識地球內部結構，人們最先想到的是鑽探取芯法，包括科學鑽探、油氣鑽探等。目前國際上的深部鑽探已經取得了很大進步。但是，地球的半徑為6000公裡，僅大陸地殼厚度就有40公裡左右，所以即使是最深的鑽井，依然只能達到地球深度的0.2%。探知地球往往需要其他的方法，如地震波探測法、磁力探測法等。其中，模擬地球內部環境，通過實驗得到的數據和物質形態來進行推斷是方法之一。

長期以來，毛竹帶領團隊運用實驗手段，模擬地球內部極端高溫高壓環境，進行物質的物理特性研究，由此獲得地球內部的物質組成、解析地球內部圈層形成的原因、揭示不同圈層間物質的交換及地球內部的演化過程，取得了一系列創新性成果。

毛竹的貢獻之一是發展了高溫高壓下原位測量礦物單晶彈性模量的實驗方法。要想確定地球和行星內部的物質組成，有一種方法是通過測量礦物在高溫高壓下的彈性模量來進行反推。但是此前，大部分研究只能在高壓常溫或高溫常壓下進行。如何在高溫高壓下原位測量礦物的單晶彈性模量，是學界普遍存在的難題。毛竹及其研究團隊，以創新性的工作，通過減少在模擬地幔速度場時對實驗數據進行溫度或壓力外延產生的誤差，確定了上地幔重要構成礦物的單晶彈性模量，查明了水對上地幔和過渡帶礦物彈性性質的影響。

「基礎研究的魅力在於，它是科學技術發展的基石」，在毛竹眼裡，地球科學充滿魅力，它縱橫幾萬裡，上下數億年，幾乎輻射到自然科學的其他各個領域。

以「創新」為緯  講述地球的故事

有人說，地球科學是星空中最浪漫的故事，地球科學的大家一定是會講故事的人。而講好地球故事的基礎，要「敢於大膽質疑，勇於創新，不斷實驗」。

目前地球物理學界有個共識：地核由鐵、鎳以及一定量的輕元素組成。但之前的研究中，研究者們普遍認為溫度對鐵波速沒有影響，並以此為基礎，來推斷地核中輕元素的種類和含量。毛竹大膽地質疑這一論斷，她通過在高溫高壓下原位測量鐵以及鐵矽合金的縱波波速，發現鐵的縱波波速隨壓力非線性增長，據此推翻了此前的研究論斷，並明確了地球內核輕元素含量應該被低估了2倍。相關研究成果發表在PNAS 上。

此外，毛竹帶領團隊探索新路徑，確定了下地幔礦物的結構相變、熱力學性質以及下地幔物質組成，揭示了核幔邊界D」不連續面的成因和超低速帶可能的形成機制，其中關於矽酸鹽玻璃中鐵自旋態的工作被選為《American Mineralogist》亮點和突破文章。韓國首爾大學S. K. Lee 教授專門撰文評述，認為該項研究結果闡明了矽酸鹽玻璃高壓下的自旋態，並結束了長久以來的相關爭論。

迄今為止，毛竹在國內外地學期刊上共發表文章56篇，專題書章節1篇。第一作者/通訊作者文章31篇，其中20篇發表在Naure Index雜誌。2015年，獲得優秀青年資助；2018年，獲得美國地球物理學會礦物巖石「Early Career Award」，該獎每年從全球遴選一名在獲得博士學位（最終學位）10年內的青年科學家，以表彰其在巖石和礦物研究方面取得的卓越貢獻，這也是該獎設立以來首次授予來自中國的優秀青年科學家。2019年，37歲的毛竹當選美國礦物學會會士，是該學會自1984年設立以來的首位中國女性科學家。2020年，獲得第十六屆中國青年科技獎。

面對榮譽，毛竹很謙虛，「感謝同行們對我工作的認可，幸運的是，我一直遵從內心，在做自己喜歡的事情。」 科學研究特別是基礎研究的出發點往往是科學家探究自然奧秘的好奇心。從實踐看，凡是取得成就的科學家都是憑藉執著的好奇心、事業心，終身探索成就事業的。

以「興趣」為初心  呵護好奇的種子

1982年，毛竹出生於重慶。從小就喜歡哲學和歷史的毛竹，讀了很多父母為她買的書，一直對「人從哪裡來，要到哪裡去」的終極問題充滿好奇。初中時，理科成績優異的毛竹，被保送進重慶一所重點高中的理科實驗班，由此，對哲學的追問引發了對浩瀚星空的興趣。

2000年，毛竹參加高考。在父親的建議下，她填報了物理學科名列前茅的中國科大，最終進入中國科大地球物理專業學習。對於這個「緣分」，毛竹很欣喜，「不能上天，入地也行」，從那時起，毛竹就開啟了地球探索之旅。

了解地球、進而了解太陽系的前世今生，對毛竹有著莫大的吸引力。因為喜歡，所以沉浸。在中國科大的四年，毛竹勤奮苦讀。而讓她至今印象深刻的是中國科大的優良學風，每天早晨六點半當她到圖書館門外等位時，圖書館外已經排起了長長的隊伍。大二時，毛竹通過中國科大「大學生研究計劃」申請進入實驗室學習。早期的實驗室經歷，讓毛竹近距離接觸科研，極大地滿足了她的好奇心，也逐漸找到了未來的方向。

大四時，毛竹問了老師一個問題：「我們現在站在地球物理學的什麼位置」，老師回答「連門兒還都沒摸著呢」。為推開地球物理之門，大四畢業，毛竹遠赴普林斯頓大學攻讀博士學位，繼續追尋「天地之問」。在經歷了幾年的博士後科研工作後，毛竹於2012年回到母校中國科大，成為地球與空間科學學院教授。「中國科大有自由探索的學術氛圍，交叉融合的學術環境，優秀的同事和學生」，毛竹說，「這裡擁有一張安靜的書桌」。

在科研尋路上不忘初心，在科研探路上敢於創新，毛竹言傳身教：為呵護學生的好奇心，讓學生找到興趣所在，無論是課題方向還是職業選擇，毛竹都鼓勵學生做不同的嘗試。因為「世界那麼大，為什麼不去試試？」

（新聞中心）