中國學者參與首次發現氦化合物科研 改寫化學常識

【觀察者網綜合】據微信公眾號「知社學術圈」（zhishexueshuquan）2月10日刊載的文章，中國科學家和俄、美、意、德等國科學家一起，發現了在極端條件下惰性氣體氦的化合物，改變了現代科學對氦的基本認知。而此項成果的公開過程也是一波三折，該微信號說，科研團隊花了兩年時間才說服審稿人和編輯，將這一成果刊載在今年2月的《自然化學》（Nature Chemistry）雜誌上。

作為惰性氣體的一員，氦是化學元素周期表中最不容易發生化學反應的元素。在極端壓力條件下，其他惰性氣體都已經顯示出形成化合物的能力，但氦依然非常穩定。現在這一「化學鐵律」已經被來自南開大學的王慧田、周向鋒團隊及其合作者打破。他們創造出了穩定的氦鈉化合物，這撼動了現代化學的基本認知。

發表在《自然化學》上的論文截圖

我們知道，氦是宇宙中含量第二多的元素，是六種惰性氣體元素之一，很難與其他元素發生作用。然而，在極端條件下，惰性氣體又可以分為兩類：其中氪、氙、氡相對活躍，而氬、氖、氦則非常冷漠。

此前，研究人員已經找到其他元素與氦進行配對的方法。但一直以來，都沒有形成什麼能夠穩定存在的物質。最常見的例子就是氦與其他元素的範德華力，無需共價鍵或者離子鍵就可以存在。在極低的溫度下，氦確實可以形成範德華力，但極其微弱，無法長久保持。

氦這種堅固的穩定力源於其閉殼層電子組態：其外殼層是完滿的狀態，沒有空間和其他原子通過共用電子進行結合。不過這只是氦在地球表面環境中的情況。

圖a：粉色為鈉，白色為氦；圖b：納和氦呈立方體狀，紅色點為電子；圖c：電子局域函數顯像圖。

作為宇宙中第二豐富的元素，氦在恆星和巨型氣體行星的構成中起著重要作用。在外太空或者地球深處的極端條件下，它可能遵循著不同尋常的規律。如今，研究人員剛剛驗證了這種神奇的現象。

文章共同作者，猶他州立大學亞歷山大·波吉列夫（Alex Boldyrev）教授說：「極高的壓力，比如在地球的核心或者其他巨型星體中，能夠完全改變氦的化學特性。」

研究人員通過「晶體結構預測」模型進行演算發現，在極度的壓力之下，一種穩定的氦鈉化合物能夠形成。然後他們在金剛石壓腔實驗中真的創造出了前所未見的化合物：Na₂He。實驗可以為氦和鈉原子提供相當於110萬倍地球大氣壓的條件。

這一結果太出人意料，因此發表的時候遇到了巨大的困難，研究人員花了兩年多的時間去說服審稿人和編輯。

基於這些結果，研究團隊預測，如果壓力達到他們實驗水平的一千萬倍，那麼鈉將可以很容易地和氦氣反應生成穩定的Na₂He。更為奇妙的是，這種化合物的構成並不需要任何化學鍵。

南開大學王慧田教授是本次研究的共同通訊作者，據他介紹：「所發現的化合物非常奇特：氦原子通常不會形成任何化學鍵，而新物質的存在從根本上改變了鈉原子間的化學相互作用，迫使電子集中在該結構的立方空間內，同時具有絕緣能力。」

開展這項研究的科學家來自中國、俄羅斯、美國、義大利和德國五個國家。參與此項研究的中方科學家來自中國的南開大學、北京高壓科學研究中心、西北工業大學、中國科學院固體物理研究所和南京大學等科研院所。