Международная группа ученых из МФТИ, Сколтеха, Нанкинского университета и Университета Стоуни Брук под руководством Артема Оганова предсказала и смогла получить в лабораторных условиях стабильное соединение натрия с гелием— Na₂He. Подобные соединения могут возникать в недрах Земли и других планет, в условиях очень высокого давления и температуры. Исследование опубликовано в журнале Nature Chemistry, кратко о статье сообщает также пресс-релиз Университета Юты. Следует отметить, что предварительная версия работы была выложена авторами в виде препринта в 2013 году.

Гелий, как и неон, является наиболее химически инертным элементом в таблице Менделеева и практически не вступает в реакции из-за заполненной внешней электронной оболочки, высокого потенциала ионизации и нулевого сродства к электрону. Уже давно ученые пытаются найти его устойчивые соединения, например с фтором (HHeF и (HeO)(CsF)), хлором (HeCl) или литием (LiHe), однако такие вещества существуют ограниченное время. Стабильные соединения гелия существуют (это NeHe₂ и He@H₂O), однако гелий там практически не влияет на электронную структуру и связан с другими атомами силами Ван-дер-Ваальса. Однако ситуация может измениться, если попытаться работать при высоких давлениях — в таких условиях благородные газы становятся более активными и образуют соединения, например оксиды с магнием (Mg—NG, где NG — Xe, Kr или Ar). Поэтому было решено поискать такие соединения с гелием.

Исследователи провели крупномасштабный поиск возможных стабильных соединений гелия с различными элементами (H, O, F, Na, K, Mg, Li, Rb, Cs и так далее) при помощи кода USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography), разработанного Огановым и его коллегами в 2004 году. Выяснилось, что только натрий образует устойчивое соединение с He при давлениях, доступных для лабораторных экспериментов. Тогда было решено поискать стабильное соединение системы Na-He с минимальной энтальпией образования (т.е. наиболее устойчивые) при разных давлениях. Расчеты показывают, что это будет соединение Na2He. Реакция образования этого вещества возможна при давлениях выше 160 ГПа, при этом она будет экзотермической, т.е. с выделением тепла. При давлениях ниже 50 ГПа соединение будет нестабильным.

Термодинамические характеристики системы Na-He при разных давлениях

Для проверки теоретических расчетов было решено попробовать получить предсказанное соединение при помощи алмазных наковален, нагреваемых лазерным излучением. В них загружались тонкие пластины из натрия, а все остальное пространство заполнялось газообразным гелием. Во время экспериментов ученые снимали Рамановские спектры, кроме того состояние системы контролировалось визуально и при помощи метода дифракции синхротронного рентгеновского излучения. Полученные данные затем сравнивались с предсказанными на основе расчетов.

Кристаллическая структура Na₂He при 300 ГПа (a,b) и распределение электронной плотности в нем (c)

Выяснилось, что соединение Na₂He имеет гораздо более высокую температуру плавления, чем чистый натрий — выше 1500 К при 140 ГПа. Оно стабильно при давлениях выше 113 ГПа и обладает кристаллической структурой, похожей на трехмерную шахматную доску. Вещество представляет собой электрид, обладающий диэлектрическими свойствами. На основе этих экспериментов было также предсказано существование еще одного соединения с гелием — Na₂HeO, с похожей структурой, существование которого еще предстоит проверить.

Трехмерная структура соединения Na₂He. Artem R. Oganov

Это не первое исследование по теоретическому предсказанию новых соединений, проведенное под руководством Артема Оганова. Ранее его группа нашла нового родственника графена, две новых формы оксида алюминия, существующих при высоких давлениях, а также впервые пронаблюдала «склеивание» слоев в сверхпроводнике, которое, как выяснилось, сопровождается потерей его сверхпроводящих свойств.

Автор: Александр Войтюк