Новое соединение гелия раскрывает тайны ядра Земли

При высокой температуре и давлении атомы гелия (красные круги) перемещаются в пространства между атомами железа (красные круги с черными центрами) в куске металлического железа на карте функции локализации электронов. (Источник: Национальный центральный университет)

Известный как один из самых «непокорных» элементов во Вселенной, гелий также является наименее реакционноспособным элементом в периодической таблице. Как и другие благородные газы, гелий с трудом приобретает или теряет электроны и поэтому обычно не образует химических соединений. Однако под чрезвычайно высоким давлением гелий может взаимодействовать с рядом других элементов, таких как азот, натрий и железо.

Для создания нового соединения физик из Токийского университета Кей Хиросе и его коллеги сжали железо и гелий в камере с алмазными наковальнями — устройстве высокого давления, которое подвергает элементы давлению более 50 000 атм при температуре выше 1000 градусов по Цельсию. В результате этого процесса сжатия образуются кристаллы, содержащие как железо, так и гелий, которые при том же давлении имеют больший объем, чем кристаллы чистого железа.

Ученые полагают, что это увеличение происходит из-за накопления ионов гелия в междоузлиях — крошечных зазорах между атомами железа в кристалле.

Хотя атомы гелия менее реакционноспособны и не образуют прямых химических связей с железом даже в экстремальных условиях, соединение, которое «упаковывает» атомы гелия в кристаллическое железо, дает «ключ», помогающий объяснить наблюдения гелия в ядре Земли. Соответственно, большинство атомов гелия на Земле имеют два нейтрона и образуются в результате радиоактивного распада таких элементов, как уран. Однако некоторые извержения вулканов в океане высвобождают атомы гелия, содержащие всего один нейтрон.

Эти атомы впервые возникли вскоре после Большого взрыва. Земля поглотила этот «первичный» гелий, когда образовалась планета. Выделение атомов гелия из магмы позволяет предположить, что на Земле когда-то существовал первичный резервуар гелия, а новое соединение позволяет предположить, что богатое железом ядро ​​Земли вполне может содержать этот элемент.

Помимо важного геофизического значения, эти результаты могут иметь более широкое применение в химии благородных газов. По словам ученого из Калифорнийского университета (США) Маошэна Мяо, образование соединений, содержащих гелий и другие металлы, может открыть новые возможности в области химии, о которых человечество никогда не задумывалось.