Российские учёные впервые смогли "растормошить" гелий

Химикам и материаловедам из МФТИ удалось предсказать и получить стабильные соединения гелия с другими элементами.

6 февраля 2017, 17:21
<p>Фото: &copy; East News</p>

Фото: © East News


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.

Кристаллическая структура Na2He напоминает трёхмерную шахматную доску. Пурпурные шары — атомы натрия, а внутри зелёных кубов — атомы гелия. Красные области показывают, где локализованы электронные пары. Фото: © МФТИ

Кристаллическая структура Na2He напоминает трёхмерную шахматную доску. Пурпурные шары — атомы натрия, а внутри зелёных кубов — атомы гелия. Красные области показывают, где локализованы электронные пары. Фото: © МФТИ

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.

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,

профессор Артём Оганов.

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.

Комментариев: 2

avatar
Для комментирования авторизуйтесь!
avatar
Павел Валентинович8 февраля, 06:53

У нынешнего правительство, к сожалению денег нет, а на науку тем более, как это было озвучено премьером.

avatar
Геннадий Будовский7 февраля, 07:10

Развитие фундаментальных наук должно стать приоритетным в финансировании. Кто экономит на этом, тот плетётся в хвосте экономически развитых стран. Соответственно и количество ВУЗов, готовивших таких специалистов, должно быть достаточным для страны. Параллельно нужны и специалисты, способные создавать оборудование и аппаратуру для этих исследований. Торговать сырьем сегодня крайне не выгодно. Затраты большие - доходы маленькие. Прорывные технологии -  путь к экономическому процветанию государства

Layer 1