Придётся переписывать учебники по химии: впервые получено стабильное соединение гелия

Ещё со школьной скамьи мы помним, что в периодической таблице химических элементов есть таинственная группа инертных (благородных) газов: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радиоактивный радон. Их отличительной чертой является то, что в нормальных земных условиях они практически не вступают в химические реакции и не образуют химических соединений. Но если потрудиться, то можно их заставить сделать это.

До настоящего момента было получено всего несколько сотен соединений с инертными газами, большинство из которых включают ксенон и криптон. Но никогда прежде учёным не удавалось получить стабильное химическое соединение с гелием или неоном. Дело в том, что атом гелия имеет чрезвычайно стабильную, плотную электронную оболочку, в которой просто нет места для образования связи с другим химическим элементом. Можно сравнить с тем, как если бы кто-то попытался взять друга за руки, на которых надеты шары для боулинга.

Но современная научная мысль не ограничивается обычными земными условиями и в поисках новых знаний об устройстве материи устремляется к экстремальным температурам и давлениям, которые можно найти, двигаясь к центру нашей планеты, или выходя за её пределы, например на газовых гигантах. Именно там элементы и соединения меняют свои свойства и оказываются способны пойти против устоявшихся в науке теорий.

Международная команда исследователей из России, Китая, США, Германии и Италии бросила вызов основам классической химии и объявила, что ей удалось создать первое стабильное соединение гелия – гелид натрия. В работе принимали участие сразу несколько российских специалистов, работающих как на родине, так и за рубежом, таких как профессор Сколтеха, Московского Физтеха и Университета Стони Брук Артём Оганов, профессор Университета Юты Александр Болдырев, профессор Института Карнеги Александр Гончаров и другие.

Открытие показалось многим уважаемым экспертам столь невероятным, что на принятие статьи с описанием моделей и результатами экспериментов к публикации потребовалось почти два года.

Первоначально учёные воспользовались помощью китайского суперкомпьютера "Тяньхэ-2", или "Млечный Путь-2", который является вторым по мощности в мире. Машина позволила предсказать существование сразу двух устойчивых соединений гелия – гелида натрия и оксигелида натрия. Первое состоит из двух атомов натрия и одного атома гелия, а второе включает помимо них ещё один атом кислорода. Согласно модели их образование возможно при давлении, которое превышает атмосферное в 150 тысяч и 1,1 миллиона раз, соответственно.

Алгоритм поиска соединений USPEX был разработан командой Оганова. Ранее с его помощью уже было предсказано существование ортоугольной кислоты и других соединений.

На следующем этапе гелид натрия был получен в лабораторных условиях командой Гончарова. Для этого между двумя алмазными наковальнями, куда поместили газообразный гелий и натрий, создавали давление в 1,1 миллиона атмосфер. (Недавно похожим способом был получен металлический водород). Расчёты показали, что соединение может оставаться стабильным как минимум до давления в 10 миллионов атмосфер.

Гелид натрия представляет собой твёрдое вещество, структура которого похожа на флюорит – соединение кальция с фтором, который является соседом гелия по периодической таблице. В кристаллической решётке каждый атом гелия окружён восемью атомами натрия. Для лучшего понимания можно представить себе трёхмерную шахматную доску, половина кубов которой занята атомами гелия, а в центре второй части локализованы электроны.

В действительности атомы гелия не образуют никаких связей с атомами натрия, по крайней мере, в обычном понимании. Однако под огромным давлением они существенно изменяют химические взаимодействия между последними таким образом, что электроны, которые, имея отрицательный заряд, должны отталкиваться в нормальных условиях, уживаются попарно в структуре гелида.

Что же касается оксигелида натрия, то, согласно модели, атомы кислорода должны будут встать на место "пустот", которые заняты электронами в гелиде. Предположительно, оксигелид будет стабилен при давлении от 150 тысяч до 1,1 миллиона атмосфер. Что ж, остаётся ждать, когда же исследователи объявят об экспериментальном подтверждении существования и этого соединения.

Результаты уникальной работы снова доказывают, что внутри газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн, звёзд и, возможно, других космических объектов творится совсем другая химия. Разобравшись в ней, учёные, вероятно, смогут сделать прорыв в понимании того, как устроена наша Вселенная.