Российские учёные впервые смогли "растормошить" гелий

Международный коллектив учёных во главе с руководителем Лаборатории компьютерного дизайна материалов МФТИ Артёмом Огановым предсказал существование двух стабильных соединений гелия, наиболее инертного элемента периодической таблицы, — Na2He и Na2HeO. Исследователи экспериментально подтвердили существование и стабильность Na2He, а также объяснили причину устойчивости этого соединения. Работа может значительно улучшить понимание химии недр планет и звёзд, где гелий играет ключевую роль. Соответствующая статья опубликована в журнале Nature Chemistry.

Гелий — второй по распространённости (после водорода) элемент во Вселенной. При этом он самый инертный изо всех инертных газов и вообще не образует устойчивых химических соединений при нормальных условиях. В то же время оставалось неясным, нет ли такого набора температур и условий, при которых даже этот инертный газ смог бы с чем-то прореагировать.

Чтобы прояснить вопрос, авторы провели систематический поиск возможных стабильных соединений гелия с помощью эволюционного алгоритма USPEX. Этот алгоритм был создан на основе разрабатывавшегося Артёмом Огановым эволюционного метода предсказания кристаллических структур. Метод широко используется учёными по всему миру и уже предсказал такие экзотические материалы, как бор сверхвысокой твёрдости, прозрачную фазу натрия и целый ряд других. В новом исследовании алгоритм показал, что при очень высоких давлениях гелий будет образовывать соединения Na2He и Na2HeО.

На втором этапе исследования предсказанное соединение Na2He было успешно синтезировано в ячейке с алмазными наковальнями группой профессора Александра Гончарова из Геофизической лаборатории в Вашингтоне. Получить соединение удалось при давлении примерно в 1,1 миллиона атмосфер. При этом оно остаётся стабильным при давлении как минимум до 10 миллионов атмосфер.

Na2He является ионным кристаллом особого типа — электридом. У ионного кристалла в узлах решётки "сидят" положительно заряженные ионы (катионы) и отрицательно заряженные ионы (анионы). Как известно, разноимённые заряды притягиваются, а одноимённые — отталкиваются. За счёт этого ионные кристаллы и остаются стабильными. Электриды — особый вид ионных кристаллов, где в роли "минуса" выступают не анионы, а локализованные электроны. В таком кристалле роль катионной подрешётки играет натрий, а анионной — локализованные пары электронов. Из-за сильной локализации электронов Na2He не проводит электрический ток и является хорошим изолятором.

Другое предсказанное 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.

Работа имеет большое значение из-за того, что гелий в значительных количествах присутствует в глубинах планет — газовых гигантов, а также звёзд, включая наше Солнце. Натрий и кислород — также широко распространённые элементы. Если они образуют стабильные соединения при высоких давлениях, значит, они должны присутствовать в больших количествах в составе планет и даже звёзд. Из-за необычных свойств таких соединений они должны влиять на процессы, идущие там. А чтобы учесть их влияние, планетологам надо понимать, что это за соединения, и в этом плане значимость новой работы трудно переоценить.