Учёные открыли химию гелия

Международный коллектив учёных под руководством профессора Сколтеха (а также профессора университета Стони Брук и руководителя Лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ Артёма Оганова предсказал существование двух стабильных соединений наиболее инертного элемента периодической таблицы, гелия — Na2He и Na2HeO. Исследователи экспериментально подтвердили существование и стабильность Na2He, а также объяснили причину его устойчивости. Эта работа может иметь ключевое значение в понимании химии планетных недр или даже звёзд, где гелий играет ключевую роль. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Chemistry.

Гелий — второй по распространённости (после водорода) элемент во Вселенной. Он принадлежит к семейству из семи элементов, названных инертными газами из-за того, что они неохотно образуют соединения с другими элементами. Гелий является самым инертным и не образует устойчивых химических соединений при нормальных условиях.

Авторами работы был выполнен систематический поиск стабильных соединений гелия с помощью эволюционного алгоритма USPEX. Предсказанное соединение Na2He было успешно синтезировано в ячейке с алмазными наковальнями группой профессора Александра Гончарова из Геофизической лаборатории в Вашингтоне. Соединение появляется при давлении примерно в 1,1 миллиона атмосфер и остается стабильным до как минимум 10 миллионов атмосфер.

Crystal structure of Na2He, resembling a three-dimensional checkerboard. The purple spheres represent sodium atoms, which are inside the green cubes that represent helium atoms. The red regions inside voids of the structure show areas where localized electron pairs reside. Illustration is provided courtesy of Artem R. Oganov.

На рисунке: Кристаллическая структура Na2He, напоминающая трёхмерную шахматную доску. Пурпурные шары показывают атомы натрия, а внутри зелёных кубов находятся атомы гелия. Красные области внутри пустот показывают области, в которых локализованы электронные пары. Иллюстрация любезно предоставлена Артёмом Огановым.

«Открытое нами соединение весьма необычно: хотя атомы гелия напрямую не участвуют в химической связи, их присутствие фундаментально меняет химические взаимодействия между атомами натрия, способствуя сильной локализации валентных электронов, что делает полученный материал изолятором», — говорит первый автор исследования Сяо Дун, который во время выполнения данной работы был аспирантом в лаборатории Оганова.

Na2He является ионным кристаллом особого типа — электридом. В таком кристалле роль катионной подрешётки играет натрий, а анионной — локализованные пары электронов (см. рис. 1). Из-за сильной локализации электронов Na2He не проводит электрический ток.

У ионного кристалла в узлах решётки «сидят» ионы — катионы (+) и анионы (−). Благодаря электростатическим силам — притягиванию разноимённых и отталкиванию одноимённых зарядов — ионные кристаллы стабильны. Электриды — особый вид ионных кристаллов, в них роль «−» играют не анионы, а локализованные электроны.

Другое соединение — Na2HeO — оказалось стабильным в диапазоне давлений от 0.15 до 1,1 миллиона атмосфер. Вещество также является ионным кристаллом и имеет схожее с Na2He строение, только роль анионов в кубических полостях играют не электронные пары, а атомы кислорода, присоединившие к себе электронную пару (O2-).

«Данное исследование демонстрирует, как совершенно неожиданные явления могут быть обнаружены с помощью самых современных теоретических и экспериментальных методов. Наша работа в очередной раз иллюстрирует, насколько мало на сегодняшний день мы знаем о влиянии экстремальных условий на химию, и роль таких явлений на процессы внутри планет ещё предстоит объяснить», — говорит профессор Оганов.

Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81

Tweet about this on Twitter0Share on Facebook0Pin on Pinterest0Share on Tumblr0Share on VK