中国学者参与首次发现氦化合物改写化学常识

作为惰性气体的一员，氦是化学元素周期表中最不容易发生化学反应的元素。在极端压力条件下，其他惰性气体都已经显示出形成化合物的能力，但氦依然非常稳定。现在这一“化学铁律”已经被来自南开大学的王慧田、周向锋团队及其合作者打破。他们创造出了稳定的氦钠化合物，这撼动了现代化学的基本认知。

发表在《自然化学》上的论文截图

我们知道，氦是宇宙中含量第二多的元素，是六种惰性气体元素之一，很难与其他元素发生作用。然而，在极端条件下，惰性气体又可以分为两类：其中氪、氙、氡相对活跃，而氩、氖、氦则非常冷漠。

此前，研究人员已经找到其他元素与氦进行配对的方法。但一直以来，都没有形成什么能够稳定存在的物质。最常见的例子就是氦与其他元素的范德华力，无需共价键或者离子键就可以存在。在极低的温度下，氦确实可以形成范德华力，但极其微弱，无法长久保持。

氦这种坚固的稳定力源于其闭壳层电子组态：其外壳层是完满的状态，没有空间和其他原子通过共用电子进行结合。不过这只是氦在地球表面环境中的情况。

图a：粉色为钠，白色为氦；图b：纳和氦呈立方体状，红色点为电子；图c：电子局域函数显像图。

作为宇宙中第二丰富的元素，氦在恒星和巨型气体行星的构成中起着重要作用。在外太空或者地球深处的极端条件下，它可能遵循着不同寻常的规律。如今，研究人员刚刚验证了这种神奇的现象。

文章共同作者，犹他州立大学亚历山大·波吉列夫（Alex Boldyrev）教授说：“极高的压力，比如在地球的核心或者其他巨型星体中，能够完全改变氦的化学特性。”

研究人员通过“晶体结构预测”模型进行演算发现，在极度的压力之下，一种稳定的氦钠化合物能够形成。然后他们在金刚石压腔实验中真的创造出了前所未见的化合物：Na₂He。实验可以为氦和钠原子提供相当于110万倍地球大气压的条件。

这一结果太出人意料，因此发表的时候遇到了巨大的困难，研究人员花了两年多的时间去说服审稿人和编辑。

基于这些结果，研究团队预测，如果压力达到他们实验水平的一千万倍，那么钠将可以很容易地和氦气反应生成稳定的Na₂He。更为奇妙的是，这种化合物的构成并不需要任何化学键。

南开大学王慧田教授是本次研究的共同通讯作者，据他介绍：“所发现的化合物非常奇特：氦原子通常不会形成任何化学键，而新物质的存在从根本上改变了钠原子间的化学相互作用，迫使电子集中在该结构的立方空间内，同时具有绝缘能力。”

开展这项研究的科学家来自中国、俄罗斯、美国、意大利和德国五个国家。参与此项研究的中方科学家来自中国的南开大学、北京高压科学研究中心、西北工业大学、中国科学院固体物理研究所和南京大学等科研院所。