Международный коллектив ученых под руководством профессора Сколтеха (а также профессора университета Стони Брук и руководителя Лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ Артема 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 звезд, где гелий играет ключевую роль. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Chemistry, кратко о нем сообщает пресс-релиз Московского физико-технического института.
Гелий – второй по распространенности (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. У атомов инертных газов на внешней электронной оболочки имеется полный набор из восьми электронов, поэтому, чтобы образовать химическую связь инертного газа с атомом другого элемента, можно только подвергнув эти атомы ионизации. Но, чтобы удалить электрон из их оболочки, требуется приложить много энергии. Химики называют это высоким потенциалом ионизации атомов. У гелия самый маленький радиус атомов среди инертных газов и, соответственно, самый высокий потенциал ионизации. Поэтому гелий оказывается самым инертным среди них и не образует устойчивых химических соединений при нормальных условиях.
Ученым были известны лишь краткоживущие (эксимерные) молекулы соединений гелия: фторид HeF, хлорид HeCl и соединение с литием LiHe. Они возникают, если через смесь газов пропускать электрический ток или ультрафиолетовое излучение. Время существования эксимерных молекул составляет несколько наносекунд.
Авторами нынешней работы был выполнен систематический поиск стабильных соединений гелия с помощью эволюционного алгоритма USPEX (подробнее о нем можно прочитать в стенограмме лекции, прочитанной Артемом Огановым в рамках проекта «Публичные лекции Полит.ру»). 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.
«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 подрешетки играет натрий, а анионной — локализованные пары электронов. Из-за сильной локализации электронов Na2He не проводит электрический ток.
У ионного кристалла в узлах решетки «сидят» ионы — катионы (+) и анионы (−). Благодаря электростатическим силам — притягиванию разноименных и отталкиванию одноименных 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 еще предстоит объяснить», — говорит профессор Оганов.
