最“懒惰”元素终于“脱单”：中外团队宣布合成钠氦化合物

门捷列夫周期表的最右一列是一个特殊的“单身狗”家族，它们被称为惰性气体，包括氦、氖、氩、氪、氙、氡，和最新合成的Uuo7种元素。它们的化学性质很不活泼，一般不与其他元素发生化学反应，在自然状态下都以单质形态存在。此前，化学家们陆续合成了几种惰性气体的化合物，但最难攻克的氦（He）化合物仍处于理论阶段。近日发表在《自然》杂志的一篇论文宣布，包括南开大学、南京大学、西北工业大学、中科院固体物理研究院、北京高压先进科研中心的一个国际团队以113Gpa(1Gpa=1000000千帕，标准大气压约为101千帕)的高压成功迫使He“脱单”，形成在热力学上稳定的钠氦化合物Na₂He。

所有惰性气体元素外层的s轨道和p轨道电子数都已满，因而很难与其他原子共用电子对形成化合物。直到20世纪，化学家们都认为惰性气体化合物并不存在，这也是惰性气体名字的由来。

美国化学家莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）在1933年时预测，原子序数较大的惰性气体元素有可能与氟和氧生成不稳定的化合物。这是由于，原子序数较大的惰性气体元素的外层电子距离原子核较远，电离能较小，更容易挣脱束缚。现在，氙，氪和氡等元素已经在超高压下形成新化合物。然而，惰性气体家族的老大氦，不同于其他惰性气体元素外层有8个电子，它只有2个电子，电子亲和能几乎为零，电离能非常高，此前氦的化合物只在理论上存在，在过往实验中，He在高达800Gpa的压强下也未能与氧或氟发生化学反应。

既然最活泼的几个非金属元素都不行，这次，研究者们决定尝试一下最活泼的金属之一，Na，能不能让“万年单身狗”He“脱单”。这个国际团队，除了前述的5家中国科研机构外，还包括12家外国机构，它们来自美国、俄罗斯、意大利和德国。研究者们首先运用晶体结构预测软件USPEX计算Na-He结构在极端条件下的热力学稳定性，并预测出Na₂He这个结构在160Gpa以上的压强下将比其他可能的化合结构具有更好的热力学稳定性。

为了验证这个猜想，研究者们在金刚石对顶砧装置上将钠载入氦媒介，把压强加到155Gpa，成功得到了一个全新的化合物：Na₂He。这个钠氦化合物呈萤石（CaF₂）型结构，在压强超过113Gpa时能够保持稳定。在140Kpa下，实验发现Na₂He的熔点要比纯Na要高。

所谓萤石型结构，是一种面心立方结构。由下图的球棍模型可以发现，He填充在8个Na组成的小立方体中心。那么，Na和He是靠什么连接在一起的呢？研究者发现，Na₂He是一种电子晶体，并不是由传统意义上的化学键连接的。随着He插入到Na中，对电子云产生了推力，将共价电子对固定在特定区域，一种八中心两电子的稳定结构由此形成。

CHU 的球棍模型。粉色球代表钠原子，灰色球代表氦原子。

目前，这个突破性的全新化合物还需要得到其他独立实验的重复验证。事实上，即使它被重复验证，暂时我们也很难看到它在实际生活中的用武之地——毕竟，113Gpa是个非常极端的条件。

这个研究最大的价值，在于又一次为我们展现了在一些极端条件下物质所产生的奇妙变化，这些奇妙变化要远远超出高中化学课本，属于一个我们可能难以想象的世界——譬如地球的最核心，或者外太空。

参与研究的犹他州州立大学学者Ivan Popov对媒体说道：“当施加高压时，化学会发生变化，这可以在地球内部或土星等其他行星上实现。但这绝对是一次改变教科书的创举。”