สารประกอบฮีเลียมชนิดใหม่เผยความลับของแกนโลก

Physical Review Letters ของ American Physical Society เพิ่งเผยแพร่ผลการวิจัยเกี่ยวกับสารประกอบใหม่ของเหล็กและฮีเลียม

ที่อุณหภูมิและความดันสูง อะตอมฮีเลียม (วงกลมสีแดง) จะเคลื่อนที่เข้าไปในช่องว่างระหว่างอะตอมเหล็ก (วงกลมสีแดงมีจุดศูนย์กลางสีดำ) ในชิ้นโลหะเหล็กบนแผนที่ฟังก์ชันการระบุตำแหน่งของอิเล็กตรอน (ที่มา: มหาวิทยาลัยกลางแห่งชาติ)

ฮีเลียมเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นหนึ่งในธาตุที่ “ดื้อรั้น” ที่สุดในจักรวาล และเป็นธาตุที่มีปฏิกิริยาน้อยที่สุดในตารางธาตุ เช่นเดียวกับก๊าซมีตระกูลอื่นๆ ฮีเลียมไม่สามารถรับหรือสูญเสียอิเล็กตรอนได้ง่าย จึงมักไม่ก่อตัวเป็นสารประกอบทางเคมี อย่างไรก็ตาม ภายใต้ความดันสูงมาก ฮีเลียมสามารถทำปฏิกิริยากับธาตุอื่นๆ ได้หลายชนิด เช่น ไนโตรเจน โซเดียม และเหล็ก

เพื่อสร้างสารประกอบชนิดใหม่นี้ เคอิ ฮิโรเสะ นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยโตเกียว และเพื่อนร่วมงานได้อัดเหล็กและฮีเลียมเข้าด้วยกันในห้องทั่งเพชร ซึ่งเป็นอุปกรณ์แรงดันสูงที่ทำให้ธาตุทั้งสองอยู่ภายใต้ความดันมากกว่า 50,000 บรรยากาศที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,000 องศาเซลเซียส กระบวนการอัดนี้จะสร้างผลึกที่มีทั้งเหล็กและฮีเลียม ซึ่งมีปริมาตรมากกว่าผลึกเหล็กบริสุทธิ์ที่ความดันเท่ากัน

นักวิทยาศาสตร์ เชื่อว่าการเพิ่มขึ้นนี้เกิดจากไอออนของฮีเลียมที่สะสมอยู่ในช่องว่างระหว่างอะตอมของเหล็กในผลึก

แม้ว่าอะตอมของฮีเลียมจะค่อนข้างไม่มีปฏิกิริยา ไม่สามารถสร้างพันธะเคมีโดยตรงกับเหล็กได้แม้ในสภาวะที่รุนแรง แต่สารประกอบที่ “บรรจุ” อะตอมของฮีเลียมลงในผลึกเหล็กกลับเป็น “เบาะแส” ที่ช่วยอธิบายการสังเกตฮีเลียมในแกนโลก อะตอมของฮีเลียมส่วนใหญ่ของโลกมีนิวตรอนสองนิวตรอน และเกิดขึ้นจากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี เช่น ยูเรเนียม อย่างไรก็ตาม การปะทุของภูเขาไฟในมหาสมุทรบางครั้งจะปล่อยอะตอมของฮีเลียมออกมาโดยมีนิวตรอนเพียงหนึ่งนิวตรอน

อะตอมเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นครั้งแรกไม่นานหลังจากบิ๊กแบง โลกดูดซับฮีเลียม “ดั้งเดิม” นี้ไว้เมื่อดาวเคราะห์ก่อตัวขึ้น การปลดปล่อยอะตอมฮีเลียมจากแมกมาบ่งชี้ว่าโลกเคยมีฮีเลียมสำรองดั้งเดิม และสารประกอบใหม่บ่งชี้ว่าแกนโลกซึ่งอุดมไปด้วยเหล็กน่าจะมีธาตุนี้อยู่

นอกจากความสำคัญทางธรณีฟิสิกส์แล้ว การค้นพบเหล่านี้อาจนำไปประยุกต์ใช้ในเคมีของก๊าซเฉื่อยได้อย่างกว้างขวางยิ่งขึ้น เหมาเซิง เหมียว นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย (สหรัฐอเมริกา) ระบุว่า การก่อตัวของสารประกอบที่มีฮีเลียมและโลหะอื่นๆ อาจเปิดมุมมองเชิงเคมีที่มนุษย์ไม่เคยคาดคิดมาก่อน