中国学者发现稳定氦钠化合物,惰性气体氦He成功脱单!

中科院物理所2021-11-24 12:41:50

如果你还记得高中化学,那么可能知道氦的奇异特性。作为惰性气体,它是元素周期表中最不容易发生化学反应的元素。拜其“外壳”所赐,一般人们认为氦无法和其他原子发生作用从而创建稳定的化合物。

在极端压力环境下,其他贵族气体已经显示出形成化合物的能力。而氦至今仍是独一无二地稳定。现在,这铁一样的规律已经被来自南开大学的王慧田、周向锋团队及其合作者打破。他们创造出了稳定的氦钠化合物,而这已经撼动了现代化学的基本认知。该研究日前刚刚发表在《Nature Chemistry》。


我们知道,氦是宇宙中含量第二多的元素,是六种惰性气体元素之一,很难与其他元素发生作用。然而,在极端条件下,惰性气体又可以分为两类:其中氪、氙、氡相对活跃,而氩、氖、氦则非常冷漠。


此前,研究人员已经找到其他元素与氦进行配对的方法。但一直以来,都没有形成什么能够稳定存在的物质。最常见的例子就是氦与其他元素的范德华力,无需共价键或者离子键就可以存在。在极低的温度下,氦确实可以形成范德华力,但极其微弱,无法长久保持。


氦这种坚固的稳定力源于其闭壳层电子组态:其外壳层是完满的状态,没有空间和其他原子通过共用电子进行结合。不过这是地球表面环境中的情况。


作为宇宙中第二丰富的元素,氦在恒星和巨型气体行星的构成中起着重要作用。在外太空或者地球深处的极端条件下,它可能遵循着不同寻常的规律。如今,研究人员刚刚验证这种奇异的现象。


犹他州立大学的文章共同作者Alex Boldyrev说:“极高的压力,比如在地球的核心或者其他巨型星体中,能够完全改变氦的化学特性。”


研究人员通过“晶体结构预测”模型进行演算发现,在极度的压力之下,一种稳定的氦钠化合物能够形成。然后他们在金刚石压腔实验中真的创造出了前所未见的化合物:Na2He。实验可以为氦和钠原子提供相当于110万倍地球大气压的条件。


这一结果太出人意料,因此发表的时候遇到了巨大的困难,研究人员花了两年多的时间去说服审稿人和编辑。


基于这些结果,研究团队预测,如果压力达到他们实验水平的一千万倍,那么钠将可以很容易地和氦气反应生成稳定的Na2He。更为奇妙的是,这种化合物的构成并不需要任何化学键。


南开大学王慧田教授是本次研究的共同通讯作者,据他介绍:“所发现的化合物非常奇特:氦原子通常不会形成任何化学键,而新物质的存在从根本上改变了钠原子间的化学相互作用,迫使电子集中在该结构的立方空间内,同时具有绝缘能力。”

Na2He的晶体结构,由钠原子(紫色)和氦原子(绿色)交替,共用电子(红色)存在于其间的区域。


“这并不是真的化学键,”Popov说,“但是氦能够使这一结构稳定存在。如果你把氦原子挪走,该结构将无法保持稳定。”


下面是该化合物的其他表现形式,左图中粉色为钠,白色为氦;右图中钠和氦成立方体状,红色的点则是电子。

亚晶格分析表明,He的占位导致电子被局域到了原子缝隙中并在Na原子核的引力下形成多中心键,从而整个体系变成了电子盐体系。该过程中,孤立电子,Na的内层电子与He的内层1s电子和外层的2s,2p轨道产生强烈的交叠。受泡利不相容原理的影响,He的1s电子密度和外层电子轨道的分布被迫发生变化导致在Na2He形成过程中He得到了0.15个电子。该工作证实了高压下He会具有弱的化学活性能够与在高压下还原性显著增强的Na形成化合物。


虽然最近关于金属氢的突破研究遇到很大的质疑,但这篇文章的数据要扎实很多。来自伦敦帝国学院的物理学家Henry Rzepa在把这项研究和金属氢的发现对比时表示:“这是更为可靠的科学,氦化合物是一项重大突破。”


这一研究涉及中、美、俄、意、德五国学者。参与的中国研究单位还有北京高压科学研究中心、西北工业大学、中科院固态物理研究所、和南京大学。特别值得一提的是,这一研究开始于南开大学研究生Xiao Dong在美国交换访问期间,根据作者贡献介绍,Xiao Dong设计了研究工作、并展开了相关计算。Xiao Dong目前已经在上海高压科学研究中心工作。


据了解,这一工作2013年就投稿Nature,但作者与评审人就Na2He成健性质无法达成一致,最后改投Nature Chemistry发表。当然,并不是所有人都被说服。爱丁堡大学Eugene Gregoryanz就认为XRD数据有待提高,最终还要看这一工作是否能被其他团队所重复。不过,具备条件的实验室全世界没有几家。


来源:知社学术圈

编辑:Lixy


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