Новое соединение гелия раскрывает секреты ядра Земли

Журнал Physical Review Letters Американского физического общества только что опубликовал результаты исследований нового соединения железа и гелия.

При высокой температуре и давлении атомы гелия (красные кружки) перемещаются в промежутки между атомами железа (красные кружки с чёрными 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 в периодической таблице. Как и другие благородные газы, гелий с трудом присоединяет или теряет электроны, поэтому он обычно не образует химических соединений. Однако при чрезвычайно высоких давлениях гелий может взаимодействовать с рядом других элементов, включая азот, натрий и железо.

Чтобы создать новое соединение, физик Токийского университета Кэй 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 Цельсия. В результате этого процесса сжатия образуются кристаллы, содержащие как железо, так и гелий, которые имеют больший объём, чем кристаллы чистого железа при том же давлении.

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

Хотя атомы гелия относительно инертны и не способны образовывать прямые химические связи с железом даже в экстремальных условиях, соединение, «упаковывающее» атомы гелия в кристаллическое железо, даёт «ключ», помогающий объяснить наличие гелия в ядре Земли. Большинство атомов гелия на Земле имеют два нейтрона и образуются в результате радиоактивного распада таких элементов, как уран. Однако некоторые извержения океанических вулканов высвобождают атомы гелия, содержащие всего один нейтрон.

Эти атомы впервые образовались вскоре после Большого взрыва. Земля поглотила этот «первичный» гелий при формировании планеты. Выделение атомов гелия из магмы свидетельствует о том, что на Земле когда-то существовали первичные запасы гелия, а новое соединение свидетельствует о том, что богатое железом ядро Земли, вероятно, содержит этот элемент.

Помимо геофизического значения, эти открытия могут иметь более широкое применение в химии благородных газов. По словам Маошэна Мяо, учёного из Калифорнийского университета (США), образование соединений, содержащих гелий и другие металлы, может открыть новые горизонты в химии, о которых человечество даже не подозревало.