Данное исследование может оказаться решающим для понимания химического состава внутренних структур планет или даже звёзд, в которых гелий играет важную роль.
Международная группа исследователей во главе с профессором Сколтеха, а также профессором университета Стони Брук и руководителем Лаборатории компьютерного моделирования материалов Физтех ) Артём Оганов предсказал возможность существования двух стабильных соединений, содержащих наиболее инертный элемент периодической таблицы — гелий, и в частности, Na 2He и Na2HeO. Экспериментальные исследования подтвердили наличие и устойчивость Na 2Он также позволил объяснить причину его устойчивости. Эта работа может сыграть важную роль в понимании химии планетных недр или даже звёзд, где гелий играет значимую роль. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Chemistry.
Гелий – второй по распространенности элемент во Вселенной, уступающий только водороду. Он относится к семейству инертных газов, которые характеризуются низкой реакционной способностью и редко вступают в химические соединения. Гелий – наиболее инертный представитель этой группы и не образует стабильных химических соединений в обычных условиях.
Для выявления устойчивых соединений гелия был проведен систематический поиск, реализованный с использованием эволюционного алгоритма USPEX. Предсказанное соединение Na2Соединение He было успешно синтезировано в ячейке с алмазными наковальнями группой ученых под руководством профессора Александра Гончарова из Геофизической лаборатории в Вашингтоне. Оно формируется при давлении около 1,1 миллиона атмосфер и сохраняет стабильность при давлении не менее 10 миллионов атмосфер.
«Мы обнаружили уникальное соединение: атомы гелия не образуют прямой химической связи, но их наличие существенно влияет на взаимодействие атомов натрия, обеспечивая сильную локализацию валентных электронов и делая материал изолятором», — поясняет Сяо Дун, в то время аспирант лаборатории Оганова и первый автор исследования.
Na₂He представляет собой ионный кристалл особого типа — электрид. В его структуре натрий формирует катионную подрешетку, а локализованные пары электронов выполняют роль анионной (см. рис.). Сильная локализация электронов в структуре Na 2Ионные соединения не проводят электрический ток. В структуре ионного кристалла, в точках кристаллической решетки, расположены ионы: положительно заряженные катионы и отрицательно заряженные анионы. Стабильность ионных кристаллов обусловлена электростатическим взаимодействием: притяжением ионов с противоположными зарядами и отталкиванием ионов с одинаковыми зарядами. Электриды — это особый тип ионных соединений, в которых отрицательный заряд обеспечивается не анионами, а локализованными электронами.
Другое соединение — Na2HeO продемонстрировал стабильность при давлении, варьирующемся от 0.15 до 1.1 миллиона атмосфер. Этот материал представляет собой ионный кристалл и обладает характеристиками, подобными таковым у Na 2В кубических полостях не электронные пары, а атомы кислорода, принявшие к себе электронную пару, выполняют роль анионов 2-).
«Это исследование показывает, что даже самые неожиданные явления можно выявить, используя передовые теоретические и экспериментальные подходы. Наша работа вновь подчеркивает ограниченность текущих знаний о воздействии экстремальных условий на химические процессы, а роль этих явлений в планетарных процессах пока требует объяснения», — говорит профессор Оганов.