一种新的铁化合物暗示“原始”氦隐藏在地核中

科学家们已经将宇宙中最顽固的元素之一转化为一种新的化合物。

在巨大压力下形成的新发现的化合物研究人员 2 月 25 日报告称，将氦原子封装到晶体铁中物理评论快报。这种化合物加入了一系列通常不反应的元素的材料中，表明来自早期太阳系的氦可以储存在构成地球核心的铁中。

氦是元素周期表中反应性最小的元素之一。与其他惰性气体一样，氦气不容易获得或失去电子，因此通常不会形成化合物。但在极高的压力下，氦气可以与其他一些元素相互作用，包括氮和——研究显示，现在是铁。

为了制造这种新的铁化合物，东京大学的物理学家 Kei Hirose 和他的同事在金刚石砧室中将铁和氦挤压在一起，这是一种高压装置，可以使这些元素承受超过 50,000 个地球大气压的压力和高于 1,000 摄氏度的温度。这种压缩形成了含有铁和氦的晶体。

研究小组发现，在相同压力下，形成的晶体的体积比纯铁晶体的体积更大。研究人员将这种增加归因于氦离子堆积到间隙位置，即晶体中铁原子之间的微小空间。但氦原子不会直接与铁结合——它们的反应活性太低，即使在极端条件下也是如此。

“氦气本身就很快乐。它不想共享电子，”纽约州立大学布法罗分校的化学家斯特凡诺·拉乔皮 (Stefano Racioppi) 说。但它仍然可以参与“没有化学键的化学反应”，形成这些有序的结晶化合物。

广濑说，这种新化合物可以帮助解释对地球内部氦的观察。地球上的大多数氦原子都有两个中子，是由铀等元素的放射性衰变形成的。但有些仅用一个中子释放氦原子。这些原子在大爆炸后不久首先形成。地球在形成时吸收了这种“原始”氦气。

它从岩浆中流失表明，这颗行星拥有一个深层的原始氦储层，而新的化合物表明，地球富含铁的核心可能含有一些氦气。但研究小组需要进行更多的实验来确定氦是否更有可能存在于地球的核心或地幔的更高层。

“氦在岩浆、硅酸盐熔体和金属铁之间的分配确实是关键，”广濑说。如果氦在铁中比在地幔中发现的硅酸盐中更稳定，那就表明氦更有可能存在于地核中，反之亦然。

计算物理学家罗纳德·科恩对此表示同意。华盛顿卡内基科学研究所的科恩说：“我不会说这证明了地核中存在氦，但它表明这是可能的。”

除了地球物理意义外，这些发现还可以进一步扩展稀有气体化学。 “我想看看这是否是铁所特有的，或者是否也可能发生在其他过渡金属上，”加州州立大学北岭分校的化学家苗茂胜说。他说，形成其他氦金属化合物可能会产生“我们从未想过的化学反应”。