Undersøgelse tyder på, at helium spiller en barnepigerolle i dannelsen af ​​stabile kemiske forbindelser under højt tryk

Helium, det næstletteste element i universet, har en række anvendelsesmuligheder, fra at holde balloner flydende til at køle superledende magneter.

Det er også en ædelgas - så mærket, fordi den længe blev anset for at være "for fjern" til at reagere med de andre grundstoffer i det periodiske system.

Nu, imidlertid, et team af forskere ledet af California State University, Northridge (CSUN) kemiprofessor Maosheng Miao, og herunder University at Buffalo kemiprofessor Eva Zurek, har givet en teoretisk forklaring på, hvordan helium kan være i stand til at danne stabile faste forbindelser - de utallige kombinationer af kemiske grundstoffer, der skaber alle slags materialer.

Forskningen tyder også på, at gassen - hvis forsyning på Jorden har været faldende - kan findes i Jordens kappe, et sted, der engang blev anset for usandsynligt, da der ikke var nogen kendt kemi til at holde helium der.

Den nye undersøgelse, "He's reaktivitet med ioniske forbindelser under højt tryk, " blev offentliggjort den 5. marts i Naturkommunikation . Arbejdet var inspireret af en undersøgelse fra 2017, hvor et andet forskerhold rapporterede at syntetisere en stabil forbindelse fra helium og natrium, et element i bordsalt, under højt tryk.

Selvom denne reaktion blev bevist af eksperimenter, Miao sagde, "vi forstod ikke, hvorfor det kunne ske. Nu gør vi det. Helium er en god 'barnepige'."

"Vi foreslår, at der er en generel drivkraft for helium til at reagere med ioniske forbindelser, så snart disse forbindelser har ulige antal negativt ladede og positivt ladede ioner, " sagde Miao, Ph.d. "Som resultat, det stabiliserer, hvad der normalt ville være en ustabil situation, sådan en barnepige mægler, når dine børn ikke kommer sammen."

"Forskning er grundlæggende interessant, fordi helium altid blev anset for at være ureaktivt - det grundstof, der ikke reagerer med noget, " sagde studie medforfatter Zurek, Ph.D., en kemiprofessor ved UB College of Arts and Sciences. "Vores forskning illustrerer en ny mekanisme til, hvorfor helium kan reagere med andre kemiske arter for at danne forbindelser under tryk. Desuden, vi forudsagde nye sæt af forbindelser, der også kunne reagere med helium under tryk, som ikke blev undersøgt i det originale arbejde."

Ud over Miao og Zurek, holdet omfattede besøgende forskere Zhen Liu og Jorge Botana fra CSUN (postdocs i Beijing Computational Science Research Center i Kina); fysikprofessor Andreas Hermann, Ph.D., fra University of Edinburgh i Det Forenede Kongerige; CSUN kemi undergraduate Steven Valdez; fysik professor Dadong Yan, Ph.D., fra Beijing Normal University i Kina; og fysikprofessor Hai-qing Lin, Ph.D., direktør for Beijing Computational Science Research Center.

Heliums 'barnepige'-rolle

Ioner er atomer eller molekyler med en elektrisk ladning. I nogle stabile kemiske forbindelser, én negativt ladet ion udligner én positivt ladet ion. (Et eksempel på dette er bordsalt, består af positivt ladet natrium og negativt ladede chlorioner).

Men når forbindelser indeholder ulige antal negative og positivt ladede ioner, frastødning mellem atomer med samme ladning kan drive strukturen til at blive ustabil under tryk.

Det er her, helium kommer ind. "Det er ligesom barnepige, " sagde Miao.

"De kemiske grundstoffer går sammen og danner en forbindelse, lidt som en familie, " forklarede han. "Men, som i enhver familie, ikke alle kommer sammen – i dette tilfælde fordi du enten har for mange negative eller positive ioner.

"Nu, vi kommer til at lægge pres for at få denne sammensatte til at fungere, hvilket er som at sætte denne familie, denne forbindelse, ind i en meget lille bil, Miao fortsatte. "Du ved, hvad der sker, når du tvinger dine børn til at sidde sammen på bagsædet i en lille bil, nogle gange kommer de ikke ud af det – der er skænderier og skubben. Godt, helium er barnepige i denne kemiske forbindelses bil. Den sidder mellem børnene for at hjælpe dem med at komme sammen, men det er virkelig ikke en del af familien. "

I tilfælde af kemiske forbindelser, Miao forklarede, helium danner ikke nogen form for kemisk binding med dets naboatomer. I stedet, den indsætter sig selv mellem forbindelsens elementer for at holde dem stabile.

Den nye forskning lægger grundlaget for fremtidig undersøgelse af heliumforbindelser ved at forudsige yderligere forbindelser, der ville være stabile under pres, såsom en forbindelse bestående af magnesiumfluorid og et heliumatom, og en anden bestående af calciumfluorid og et heliumatom.

Mere helium på jorden?

Heliums lethed og omfattende brug betyder, at Jordens forsyning af grundstoffet langsomt bliver opbrugt.

Miao sagde, hvis hans holds teori viser sig sand - "Jeg tror, ​​det vil, og det er blevet delvist bevist" - det kunne ikke kun give ny indsigt i den rolle helium spiller i kemiske forbindelser, men giver også fingerpeg om, hvor mere af det kan findes.

"Vores arbejde afslører, at helium har tilbøjelighed til at reagere med en bred vifte af ioniske forbindelser ved selv lave tryk, hvilket indebærer, at der kan være meget mere af det i Jorden, end vi er klar over, " sagde han. "Da de fleste af jordens mineraler indeholder ulige antal positivt og negativt ladede ioner, vores arbejde tyder på, at store mængder helium kan være lagret i jordens kappe."