Merkelig kjemi: Helium kan danne stabile forbindelser inne i gigantiske planeter

Jupiter

Inert helium kan danne stabile forbindelser inne i gigantiske planeter som Jupiter, sett her av NASAs Juno -romfartøy 27. august 2016. (Bildekreditt: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS)



Dypt inne i gigantiske planeter kan helium danne stabile forbindelser med andre grunnstoffer, finner en ny studie - noe man lenge trodde aldri skulle skje i naturen.



Helium er bare det andre hydrogenet som det vanligste elementet i universet; den finnes i overflod hos stjerner og gassgiganter. Mens hydrogen lett reagerer med andre elementer for å danne forbindelser som vann, er helium imidlertid medlem av en gruppe elementer - kjent som edelgasser - som ikke lett binder seg til andre grunnstoffer.

Selv om helium er det mest kjemisk inerte elementet som er kjent, har forskere funnet noen få tilfeller der det kan danne forbindelser med andre grunnstoffer. Frem til nå var alle kjente heliumforbindelser enten svært ustabile eller var de der helium og de andre elementene knapt samhandlet med hverandre. [ Element nummer to: Fakta om helium ]



Nå avslører laboratorieforsøk at helium kan danne stabile forbindelser med natrium ved de typer høytrykk som finnes på gassgigantplaneter.

'En mer tradisjonell antagelse-at helium ikke danner stabile forbindelser-har falt,' sa studieforfatter Artem Oganov, direktør for Stony Brook University's Center for Materials by Design i New York og leder av Moscow Institute of Physics and Technology's Computational Materials Discovery laboratorium.

Tidligere forskning antydet at 'regler for klassisk kjemi brytes ned kl høytrykk , 'Sa Oganov. Denne ledet forfatterens hovedforfatter Xiao Dong ved Nankai University i Tianjin, Kina og hans kolleger for å undersøke om det var mulig 'å bryte enda en regel og oppdage stabile forbindelser av det mest ureaktive elementet - helium,' sa Oganov til demokratija.eu.



Det internasjonale forskerteamet søkte etter stabile heliumforbindelser ved å kjøre beregninger på to superdatamaskiner . Disse maskinene inkluderte Tianhe II i Guangzhou, Kina, som for tiden er rangert som verdens nest kraftigste superdatamaskin.

Resultatene deres spådde to stabile heliumforbindelser. Det ene er Na₂He, som består av ett heliumatom og to natriumatomer, mens det andre er Na₂He O, som består av ett heliumatom, to natriumatomer og ett oksygenatom.

I eksperimenter syntetiserte forskerne vellykket Na₂He ved å klemme komponentene mellom to diamanter ved et trykk på omtrent 1,1 millioner ganger jordens atmosfæretrykk. Lagets beregninger forutsier at forbindelsen vil vise seg å være stabil til minst 10 millioner ganger det trykket.



Krystallstruktur av Na₂He, som ligner et 3D -brett. De lilla kulene representerer natriumatomer, som er inne i de grønne terningene som representerer heliumatomer. De røde områdene inne i hullene i strukturen viser områder der lokaliserte elektronpar bor.

Krystallstruktur av Na₂He, som ligner et 3D -brett. De lilla kulene representerer natriumatomer, som er inne i de grønne terningene som representerer heliumatomer. De røde områdene inne i hullene i strukturen viser områder der lokaliserte elektronpar bor.(Bildekreditt: Artem R. Oganov.)

'Dette arbeidet gir en spektakulær seier av teori,' sa Oganov. 'Denne veldig overraskende forbindelsen ble først spådd av teori, og først da laget eksperimentelt.'

Heliumatomene danner faktisk ingen kjemiske bindinger med natriumatomene. Likevel endrer tilstedeværelsen av heliumatomene de kjemiske interaksjonene mellom natriumatomene grunnleggende, og tvinger elektroner til å koble seg sammen, til tross for deres naturlige tendens til å frastøte hverandre.

'Det er en veldig bisarr ny type forbindelse, der heliumatomer gjør en stor endring i måten natriumatomer interagerer med hverandre,' sa Oganov.

For å forestille deg hvordan Na₂He ser ut, kan du se et 3D -brett med svart -hvite terninger. I midten av de svarte kubene er heliumatomer, i sentrene til de hvite kubene er par av elektroner og i hjørnene av alle kubene er natriumatomer.

Beregningene antyder at den andre forutsagte heliumforbindelsen, Na₂He O, ville være stabil fra 0,15 til 1,1 millioner ganger Jordens atmosfæriske trykk . Strukturen skal være lik strukturen til Na₂He, men i stedet for elektronpar ville den ha oksygenatomer.

Disse funnene kan 'ha implikasjoner for planeter og kanskje også for stjerner,' sa Oganov. Selv om det fortsatt er usikkert hvilke effekter slike heliumforbindelser kan ha, kan forskere ikke lenger anta at helium ganske enkelt er inert, sa han.

Forskerne redegjorde for funnene sine online 6. februar i journalen Naturkjemi .

Følg Charles Q. Choi på Twitter @cqchoi . Følg oss @Spacedotcom , Facebook og Google+ . Opprinnelig publisert den demokratija.eu .