เคมีที่แปลกประหลาด: ฮีเลียมอาจก่อให้เกิดสารประกอบที่เสถียรภายในดาวเคราะห์ยักษ์

ฮีเลียมเฉื่อยอาจก่อตัวเป็นสารประกอบที่เสถียรภายในดาวเคราะห์ยักษ์ เช่น ดาวพฤหัสบดี ซึ่งเห็นได้จากยานอวกาศ Juno ของ NASA เมื่อวันที่ 27 ส.ค. 2559 (เครดิตรูปภาพ: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS)

ลึกเข้าไปในดาวเคราะห์ยักษ์ ฮีเลียมอาจก่อตัวเป็นสารประกอบที่เสถียรกับองค์ประกอบอื่นๆ ได้ ผลการศึกษาใหม่พบว่า ซึ่งเป็นสิ่งที่คิดมานานแล้วว่าจะไม่เกิดขึ้นในธรรมชาติ

ฮีเลียมเป็นอันดับสองรองจากไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบที่พบบ่อยที่สุดในจักรวาล มันมีอยู่มากมายในดาวฤกษ์และก๊าซยักษ์ อย่างไรก็ตาม ในขณะที่ไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับธาตุอื่นๆ ได้ง่ายเพื่อสร้างสารประกอบ เช่น น้ำ ฮีเลียมก็เป็นสมาชิกของกลุ่มธาตุที่เรียกว่าก๊าซมีตระกูล ซึ่งไม่จับตัวกับองค์ประกอบอื่นๆ

แม้ว่าฮีเลียมเป็นธาตุเฉื่อยทางเคมีมากที่สุดที่รู้จัก จนถึงปัจจุบัน สารประกอบฮีเลียมที่รู้จักทั้งหมดมีความเสถียรสูงหรือเป็นสารประกอบที่ฮีเลียมและองค์ประกอบอื่นแทบไม่มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน [ องค์ประกอบที่สอง: ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับฮีเลียม ]

ตอนนี้การทดลองในห้องปฏิบัติการเปิดเผยว่า ที่ความดันสูงชนิดที่พบในดาวเคราะห์ก๊าซยักษ์ ฮีเลียมสามารถสร้างสารประกอบที่เสถียรด้วยโซเดียม

Artem Oganov ผู้เขียนร่วมการศึกษา ผู้อำนวยการ Center for Materials by Design แห่งมหาวิทยาลัย Stony Brook ในนิวยอร์ก และหัวหน้าสถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีแห่งมอสโก กล่าวว่า 'ข้อสันนิษฐานดั้งเดิมอีกอย่างหนึ่งว่าฮีเลียมไม่ก่อให้เกิดสารประกอบที่เสถียร ได้ลดลงแล้ว ห้องปฏิบัติการการค้นพบวัสดุ

การวิจัยก่อนหน้านี้ชี้ให้เห็นว่า 'กฎของเคมีคลาสสิกพังทลายลงที่ ความดันสูง 'โอกานอฟกล่าว Xiao Dong หัวหน้าทีมวิจัยที่มหาวิทยาลัย Nankai ในเมืองเทียนจิน ประเทศจีน และเพื่อนร่วมงานของเขาเพื่อตรวจสอบว่าเป็นไปได้หรือไม่ที่จะ 'ฝ่าฝืนกฎอื่นและค้นพบสารประกอบที่เสถียรของธาตุที่ไม่ทำปฏิกิริยามากที่สุด นั่นคือ ฮีเลียม' Oganov กล่าวกับ guesswhozoo.com

ทีมวิจัยระหว่างประเทศได้ค้นหาสารประกอบฮีเลียมที่เสถียรโดยคำนวณจากสอง ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ . เครื่องจักรเหล่านี้รวมถึง Tianhe II ในกวางโจว ประเทศจีน ซึ่งปัจจุบันได้รับการจัดอันดับให้เป็นซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังเป็นอันดับสองของโลก

ผลลัพธ์ของพวกเขาทำนายสารประกอบฮีเลียมที่เสถียรสองชนิด หนึ่งคือ Na₂He ซึ่งประกอบด้วยอะตอมฮีเลียมหนึ่งอะตอมและโซเดียมสองอะตอม ในขณะที่อีกอะตอมคือ Na₂He O ซึ่งประกอบด้วยอะตอมฮีเลียมหนึ่งอะตอมโซเดียมอะตอมสองอะตอมและอะตอมออกซิเจนหนึ่งอะตอม

ในการทดลอง นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์ Na₂He โดยการบีบส่วนประกอบระหว่างเพชรสองเม็ดที่ความดันประมาณ 1.1 ล้านเท่าของความกดอากาศของโลก การคำนวณของทีมคาดการณ์ว่าสารประกอบจะพิสูจน์ได้ว่ามีเสถียรภาพอย่างน้อยถึง 10 ล้านเท่าของความดัน

โครงสร้างคริสตัลของ Na₂He ซึ่งคล้ายกับกระดานหมากรุก 3 มิติ ทรงกลมสีม่วงเป็นตัวแทนของอะตอมโซเดียม ซึ่งอยู่ภายในลูกบาศก์สีเขียวที่เป็นตัวแทนของอะตอมฮีเลียม บริเวณสีแดงภายในช่องว่างของโครงสร้างแสดงพื้นที่ที่มีคู่อิเล็กตรอนที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่น

'งานนี้ให้ชัยชนะอันน่าทึ่งของทฤษฎี' Oganov กล่าว 'สารประกอบที่น่าแปลกใจมากนี้ถูกทำนายโดยทฤษฎีก่อนแล้วจึงทำการทดลองเท่านั้น'

อะตอมของฮีเลียมไม่ได้สร้างพันธะเคมีใดๆ กับอะตอมโซเดียม ถึงกระนั้น การมีอยู่ของอะตอมฮีเลียมโดยพื้นฐานแล้วจะเปลี่ยนปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างอะตอมโซเดียม บังคับให้อิเล็กตรอนต้องจับคู่กัน แม้จะมีแนวโน้มตามธรรมชาติที่จะผลักกัน

'มันเป็นสารประกอบชนิดใหม่ที่แปลกประหลาดมาก ซึ่งอะตอมของฮีเลียมทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในวิธีที่อะตอมโซเดียมมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน' โอกานอฟกล่าว

ลองนึกภาพว่า Na₂He หน้าตาเป็นอย่างไร ให้ลองนึกภาพกระดานหมากรุก 3 มิติที่มีลูกบาศก์ขาวดำ ในใจกลางของลูกบาศก์สีดำคืออะตอมของฮีเลียม ในใจกลางของลูกบาศก์สีขาวมีอิเล็กตรอนคู่หนึ่ง และที่มุมของลูกบาศก์ทั้งหมดเป็นอะตอมโซเดียม

การคำนวณแนะนำว่าสารประกอบฮีเลียมอื่น ๆ ที่ทำนายไว้ Na₂He O จะมีเสถียรภาพตั้งแต่ 0.15 ถึง 1.1 ล้านครั้ง ความกดอากาศของโลก . โครงสร้างควรจะคล้ายกับ Na₂He แต่แทนที่จะเป็นคู่อิเล็กตรอน ก็จะมีอะตอมของออกซิเจน

การค้นพบนี้อาจ 'มีความหมายต่อดาวเคราะห์และอาจรวมถึงดาวฤกษ์ด้วย' Oganov กล่าว แม้ว่าจะยังไม่แน่ชัดว่าสารประกอบฮีเลียมจะมีผลกระทบอย่างไร แต่นักวิจัยไม่สามารถสรุปได้ว่าฮีเลียมเป็นเพียงเฉื่อยอีกต่อไป เขากล่าว

นักวิทยาศาสตร์ได้ให้รายละเอียดการค้นพบของพวกเขาออนไลน์ในวันที่ 6 กุมภาพันธ์ในวารสาร เคมีธรรมชาติ .

ติดตาม Charles Q. Choi บน Twitter @cqchoi . ตามเรามา @Spacedotcom , Facebook และ Google+ . เผยแพร่ครั้งแรกเมื่อ guesswhozoo.com .