氦氣，最惰性的稀有氣體，長期以來被認為完全惰性，因此過於冷淡而無法與其他原子結合。但最近，化學家們驚訝地發現它竟然可以形成化學化合物。
去年，科學家們報告說，他們製造出了由鈉原子和氦原子組成的晶體化合物，但無法理解它們是如何形成的。現在，一個由研究人員組成的新團隊提出了一個解釋：氦氣能夠在不形成任何化學鍵的情況下與其他原子結合——也就是說，不共享或交換任何電子。 這種元素透過遮蔽帶正電的原子來做到這一點，充當它們之間排斥電荷的緩衝。 “他們提出了一個解釋，我喜歡這個解釋，”俄羅斯斯科爾科沃科學技術研究所的化學家，也是最初發現氦化合物的團隊負責人阿特姆·奧加諾夫（Artem Oganov）說。“這個模型具有預測性，並且可以解釋我們目前為止的所有觀察結果。”
這些化合物令人震驚，因為科學家們一直認為氦氣極不可能與其他原子結合。 這是因為氦原子不願意放棄它的兩個電子，這兩個電子完美地填充了它唯一的電子殼層。每個原子都有這樣的殼層，它們容納特定數量的電子，並在原子核周圍構建這些帶負電的粒子。原子更喜歡它們的殼層完全填滿，並且會與其他可以吸收或釋放一個或兩個額外粒子的原子結合以填滿殼層。 那些殼層已經填滿且沒有電子可借出的元素被稱為稀有氣體——而氦氣是其中最小的，被認為是惰性最強的。“然後，去年出現了這項精彩的工作，”加州州立大學北嶺分校的化學家，提出新解釋的團隊負責人馬盛苗（Maosheng Miao）說。 苗的碩士研究生劉震（Zhen Liu）是這篇論文的第一作者，該論文於3月5日發表在《自然通訊》雜誌上。“他們發現，如果你將鈉和氦氣放在一起並將它們壓縮到地球中心那樣的壓力下，鈉實際上可以與氦氣反應並形成穩定的化合物。” 起初，一些科學家認為氦氣可能畢竟在共享電子。 但是苗的團隊提出了另一種解釋：也許氦氣沒有釋放或接收任何電子，但仍然以某種方式與鈉結合。
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足夠高的壓力可以將一組鈉原子壓碎到每個原子上的額外電子被擠出的程度，從而將所有原子變成帶正電的離子。 然後，每個離子都會排斥所有相鄰的離子，因為同性電荷會相互排斥。 苗和他的同事們推斷，如果氦原子可以進入並位於鈉離子之間，正電荷之間的距離將會增加——並且排斥能量將會減少，從而使材料穩定。“我認為這是第一次沒有涉及化學鍵，但仍然可以形成穩定的化合物，”苗說。“非常聰明的工作，”康奈爾大學的化學家羅爾德·霍夫曼（Roald Hoffmann）說，他沒有參與這項研究。
基於他們的假設，苗的團隊使用控制每個原子的量子力學定律進行了詳盡的計算機計算，並發現確實應該存在這樣的化合物。“這個想法在計算中被證明是正確的，這令人興奮，”紐約州立大學布法羅分校的化學家伊娃·祖瑞克（Eva Zurek）說，她是該團隊的成員。“我們還可以預測以前沒有研究過的新化合物。” 科學家們希望實驗人員嘗試製造新化合物，其中包括氦氣與氟化鎂和氟化鈣的組合。
這項發現也可能對人們認為存在於地球深處的元素的組成產生影響。 科學家們曾認為氦氣缺乏與其他元素結合的方式，因此不可能被鎖在地球岩石中。“現在越來越清楚的是，這是一個嚴重的過度簡化，”奧加諾夫說。“即使是氦氣，所有氣體中最惰性的氣體，實際上也沒有我們想象的那麼惰性。它實際上可以形成穩定的化合物並保留在地幔中。”
未來，化學家們希望找到更通用的規則來預測何時會出現這種不尋常的分子，因為在高壓下，許多正常的化學定律不再適用。“這是一種奇怪的化學鍵合，”德國亞琛工業大學的理查德·德隆斯科夫斯基（Richard Dronskowski）說，他是發現鈉-氦組合的團隊的合作者。“如果你仔細考慮一下，一切都完全合理，但你一開始不會想到它。這太迷人了。”