澎湃新聞見習記者 虞涵棋
2017-02-10 19:16 來源：澎湃新聞
門捷列夫周期表的最右一列是一個特殊的「單身狗」家族，它們被稱為惰性氣體，包括氦、氖、氬、氪、氙、氡，和最新合成的Uuo7種元素。它們的化學性質很不活潑，一般不與其他元素發生化學反應，在自然狀態下都以單質形態存在。此前，化學家們陸續合成了幾種惰性氣體的化合物，但最難攻克的氦（He）化合物仍處於理論階段。近日發表在《自然》雜誌的一篇論文宣布，包括南開大學、南京大學、西北工業大學、中科院固體物理研究院、北京高壓先進科研中心的一個國際團隊以113Gpa(1Gpa=1000000千帕，標準大氣壓約為101千帕)的高壓成功迫使He「脫單」，形成在熱力學上穩定的鈉氦化合物Na
₂He。
所有惰性氣體元素外層的s軌道和p軌道電子數都已滿，因而很難與其他原子共用電子對形成化合物。直到20世紀，化學家們都認為惰性氣體化合物並不存在，這也是惰性氣體名字的由來。
美國化學家萊納斯·鮑林（Linus Pauling）在1933年時預測，原子序數較大的惰性氣體元素有可能與氟和氧生成不穩定的化合物。這是由於，原子序數較大的惰性氣體元素的外層電子距離原子核較遠，電離能較小，更容易掙脫束縛。現在，氙，氪和氡等元素已經在超高壓下形成新化合物。然而，惰性氣體家族的老大氦，不同於其他惰性氣體元素外層有8個電子，它只有2個電子，電子親和能幾乎為零，電離能非常高，此前氦的化合物只在理論上存在，在過往實驗中，He在高達800Gpa的壓強下也未能與氧或氟發生化學反應。
既然最活潑的幾個非金屬元素都不行，這次，研究者們決定嘗試一下最活潑的金屬之一，Na，能不能讓「萬年單身狗」He「脫單」。這個國際團隊，除了前述的5家中國科研機構外，還包括12家外國機構，它們來自美國、俄羅斯、義大利和德國。研究者們首先運用晶體結構預測軟體USPEX計算Na-He結構在極端條件下的熱力學穩定性，並預測出Na
₂He這個結構在160Gpa以上的壓強下將比其他可能的化合結構具有更好的熱力學穩定性。
計算不同壓強下Na-He結構的熱力學穩定性。
為了驗證這個猜想，研究者們在金剛石對頂砧裝置上將鈉載入氦媒介，把壓強加到155Gpa，成功得到了一個全新的化合物：Na
₂He。這個鈉氦化合物呈螢石（CaF
₂）型結構，在壓強超過113Gpa時能夠保持穩定。在140Kpa下，實驗發現Na
₂He的熔點要比純Na要高。
所謂螢石型結構，是一種面心立方結構。由下圖的球棍模型可以發現，He填充在8個Na組成的小立方體中心。那麼，Na和He是靠什麼連接在一起的呢？研究者發現，Na
₂He是一種電子晶體，並不是由傳統意義上的化學鍵連接的。隨著He插入到Na中，對電子云產生了推力，將共價電子對固定在特定區域，一種八中心兩電子的穩定結構由此形成。
CHU 的球棍模型。粉色球代表鈉原子，灰色球代表氦原子。目前，這個突破性的全新化合物還需要得到其他獨立實驗的重複驗證。事實上，即使它被重複驗證，暫時我們也很難看到它在實際生活中的用武之地——畢竟，113Gpa是個非常極端的條件。
這個研究最大的價值，在於又一次為我們展現了在一些極端條件下物質所產生的奇妙變化，這些奇妙變化要遠遠超出高中化學課本，屬於一個我們可能難以想像的世界——譬如地球的最核心，或者外太空。
參與研究的猶他州州立大學學者Ivan Popov對媒體說道：「當施加高壓時，化學會發生變化，這可以在地球內部或土星等其他行星上實現。但這絕對是一次改變教科書的創舉。」
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