一種新的鐵化合物暗示“原始”氦隱藏在地核中

科學家們已經將宇宙中最頑固的元素之一轉化為一種新的化合物。

在巨大壓力下形成的新發現的化合物研究人員 2 月 25 日報告稱，將氦原子封裝到晶體鐵中物理評論快報。這種化合物加入了一系列通常不反應的元素的材料中，表明來自早期太陽系的氦可以儲存在構成地球核心的鐵中。

氦是元素週期表中反應性最小的元素之一。與其他惰性氣體一樣，氦氣不容易獲得或失去電子，因此通常不會形成化合物。但在極高的壓力下，氦氣可以與其他一些元素相互作用，包括氮和——研究顯示，現在是鐵。

為了製造這種新的鐵化合物，東京大學的物理學家 Kei Hirose 和他的同事在金剛石砧室中將鐵和氦擠壓在一起，這是一種高壓裝置，可以使這些元素承受超過 50,000 個地球大氣壓的壓力和高於 1,000 攝氏度的溫度。這種壓縮形成了含有鐵和氦的晶體。

研究小組發現，在相同壓力下，形成的晶體的體積比純鐵晶體的體積更大。研究人員將這種增加歸因於氦離子堆積到間隙位置，即晶體中鐵原子之間的微小空間。但氦原子不會直接與鐵結合——它們的反應活性太低，即使在極端條件下也是如此。

“氦氣本身就很快樂。它不想共享電子，”紐約州立大學布法羅分校的化學家斯特凡諾·拉喬皮 (Stefano Racioppi) 說。但它仍然可以參與“沒有化學鍵的化學反應”，形成這些有序的結晶化合物。

廣瀨說，這種新化合物可以幫助解釋對地球內部氦的觀察。地球上的大多數氦原子都有兩個中子，是由鈾等元素的放射性衰變形成的。但有些僅用一個中子釋放氦原子。這些原子在大爆炸後不久首先形成。地球在形成時吸收了這種“原始”氦氣。

它從岩漿中流失表明，這顆行星擁有一個深層的原始氦儲層，而新的化合物表明，地球富含鐵的核心可能含有一些氦氣。但研究小組需要進行更多的實驗來確定氦是否更有可能存在於地球的核心或地幔的更高層。

“氦在岩漿、矽酸鹽熔體和金屬鐵之間的分配確實是關鍵，”廣瀨說。如果氦在鐵中比在地幔中發現的矽酸鹽中更穩定，那就表明氦更有可能存在於地核中，反之亦然。

計算物理學家羅納德·科恩對此表示同意。華盛頓卡內基科學研究所的科恩說：“我不會說這證明了地核中存在氦，但它表明這是可能的。”

除了地球物理意義外，這些發現還可以進一步擴展稀有氣體化學。 “我想看看這是否是鐵所特有的，或者是否也可能發生在其他過渡金屬上，”加州州立大學北嶺分校的化學家苗茂勝說。他說，形成其他氦金屬化合物可能會產生“我們從未想過的化學反應”。