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.

«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.). Из-за сильной локализации электронов Na₂He не проводит электрический ток.

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.