И хелиумот не бил инертен како што се мислеше

Истражувачите од Јапонија дојдоа до револуционерно откритие дека хелиумот, кој цело време се смета за хемиски инертен, може да се поврзе со железо под екстремен притисок. Ова откритие ќе ги сруши и долгогодишните теории за внатрешната структура и историја на планетава.

Истражувачите дојдоа до револуционерно откритие, демонстрирајќи за прв пат дека хелиумот, кој долго време се сметаше за хемиски инертен, бидејќи нема валентни електрони за хемиски врски, може да се поврзе со железо под екстремен притисок. Користејќи дијамантска наковална -ќелија загреана со ласер, тие ја забележаа оваа неочекувана интеракција, сугерирајќи дека огромни количини на хелиум може да бидат присутни во јадрото на Земјата.

Ова откритие ги предизвикува долгогодишните теории за внатрешната структура и историја на планетата и може да обезбеди нови сознанија за исконската маглина од која потекнува нашиот Сончев систем. Вулканските ерупции првенствено ослободуваат карпи и минерали, но тие исто така можат да испуштаат траги од редок гас познат како исконски хелиум.

За разлика од почестиот изотоп, хелиум-4 (⁴He), кој се состои од два протони и два неутрона и континуирано се произведува со радиоактивно распаѓање, исконскиот хелиум - хелиум-3 (³He) - содржи само еден неутрон и не се формира на Земјата. Неговото присуство нуди вредни индиции за длабоката внатрешност на планетата и нејзината поврзаност со космичкото потекло.

Со оглед на повремено високиот сооднос 3He/4He пронајден во вулканските карпи, особено на Хаваите, истражувачите долго време веруваа дека постојат исконски материјали кои содржат 3He длабоко во мантијата. Тоа е изотопот кој има два протони и еден неутрон во јадрото, не е радиоактивен, има својства на суперпроводливост, служи за добивање на екстремно ниски температури и криогенски истражувања. Се мисли дека тој има потенцијал за чиста нуклеарна енергија.

Меѓутоа, дипломираниот студент Харуки Такезава и членовите на групата на професорот Кеи Хиросе од Катедрата за Земја и планетарна наука на Универзитетот во Токио сега го оспорија ова гледиште со нов став за познат експеримент - уништување на нештата, после многу години проучување на геолошките и хемиските процеси што се случуваат длабоко во Земјата. Со оглед на интензивните температури и притисоци во игра, експериментите за истражување на некои аспекти на оваа средина мора да ги реплицираат тие екстремни услови. Така, се користи дијамантска наковална - ќелија загреана со ласер за да извршиме таков притисок врз примероците за да го видиме резултатот.

Дијамантската наковална ги здроби железото и хелиумот заедно под услови кои ги имитираат оние внатре во Земјата, за да создаде ново соединение. Ова соединение остана стабилно кога притисоците биле намалени. Понатамошната анализа го потврди инкорпорирањето на хелиумот во железната кристална решетка.

Во овој случај, заедно се здробени железото и хелиумот под притисок од околу 5-55 гигапаскали и на температури од 1.000 келвини до скоро 3.000 келвини. Тие притисоци одговараат на приближно 50.000-550.000 пати повеќе од атмосферскиот притисок, а повисоките температури што се користат може да го стопат иридиумот, материјалот што често се користи во свеќичките на моторот на автомобилот поради неговата висока термичка отпорност..

Оваа вештачки обоена слика направена со помош на техника наречена секундарна јонска масена спектрометрија го покажува примерокот на железо по интензивна топлина и притисок. Широк е приближно 50 микрометри и долг 100 микрометри, приближно колку човечко влакно.

Тие ги анализираа добиените продукти со помош на синхротронски мерења на дифракција со рендгенски зраци. Овие дифракциони мерења покажаа дека, за време на процесот на компресија и загревање, железото премина од својата вообичаена внатрешно-центрирана кубна структура во или страниќно-центрирана кубна или хексагонална густо спакувана структура, кои веќе беа познати како две од кристалните форми на железото при висока температура и висок притисок. Но, во новите експерименти, волумените на единичните ќелии беа неверојатно големи: до 48% поголеми од оние на чистото железо при еквивалентен притисок. Истражувачите заклучуваат дека проширувањето на решетката се должи на вградувањето на атоми на хелиум во структурата, при што добиеното соединение содржи количина на хелиум што одговара на зголемувањето на волуменот. По целосното намалување на притисокот во ќелијата, решетките на двете кристални форми ја задржаа својата структура, овозможувајќи им на истражувачите да ги измерат концентрациите на хелиум во соединенијата со помош на спектрометрија.

Претходните студии покажаа само мали траги од комбинирано железо и хелиум, во регионот од седум делови на милион хелиум во железо. Но, во овој случај, тие беа изненадени кога открија дека соединенијата на згмеченото железо содржат дури 3,3% хелиум, околу 5.000 пати повеќе од претходно виденото.

Хелиумот има тенденција да „бега“ при амбиентални услови многу лесно; сите сме виделе како венее и се истишува балон на надувување. Значи, им требал начин да го избегнат ова при мерењата. Иако ја вршеле синтезата на материјалите под високи температури, мерењата со хемикалии биле направени на екстремно ладни или криогени температури. На овој начин спречиле да избега хелиумот и овозможиле да го откријат хелиумот во железото.

Соединението меѓу железо (Fe) и хелиум (He) би било многу невообичаено, бидејќи хелиумот е благороден гас кој речиси не формира хемиски врски. Сепак, под екстремни услови, како што се високи притисоци во внатрешноста на ѕвезди или лабораториски експерименти, може да се формираат нестабилни вклучувања (интеркалации) на хелиум во металната структура на железото.

Ако некогаш би се синтетизирало стабилно соединение, неговото име би зависело од природата на врската. Некои можни имиња би биле:

• Хелиумид на железо – ако се работи за вистинско хемиско соединение.
• Хелиум ферит – ако е смеса со цврста решетка.
• Интерстицијален хелиум во железо – ако хелиумот е заробен во металната структура без хемиска врска.

Ова откритие има импликации за разбирање на потеклото на Земјата. Присуството на хелиум во јадрото сугерира дека младата Земја најверојатно заробила малку гас од сончевата маглина од водород и хелиум што го опкружувала раниот Сончев систем. Ова исто така може да значи дека дел од водата на Земјата можеби доаѓа од водород во овој древен гас, што нуди нова перспектива за раниот развој на планетата.

Ова револуционерно откритие – дека хелиумот може да формира стабилни соединенија со железо под екстремен притисок – има големо значење за неколку научни области:

1. Планетарна и геофизичка наука

• Ова може да објасни неочекувани концентрации на хелиум во јадрата на планетите, особено на Јупитер и Сатурн, каде што екстремните притисоци достигнуваат милиони атмосфери.
• Ако хелиумот може да се врзе со железото во земјиното јадро, тоа би можело да влијае врз неговата густина и динамика, со потенцијални последици за магнетното поле на Земјата.

2. Хемија под екстремни услови

• Долго време хелиумот се сметаше за совршено инертен, бидејќи нема валентни електрони за хемиски врски. Ова откритие покажува дека под доволно висок притисок, дури и најинертните елементи можат да станат реактивни.
• Може да доведе до развој на нови материјали со уникатни својства, кои би можеле да се користат во суперпроводници или ултраотпорни легури.

3. Експериментална и теоретска физика

• Потврдува дека квантните ефекти играат клучна улога во хемиското однесување на елементите под екстремни услови.
• Отвора нови прашања за тоа како се однесуваат благородните гасови во внатрешноста на ѕвездите и егзопланетите.

Што се добива од ова?

• Подлабоко разбирање на планетарните јадра и нивната еволуција.
• Потенцијални нови суперматеријали со неочекувани својства.
• Редефинирање на хемиските принципи, особено кај инертните елементи.

Ова откритие ја крши границата на хемиската инертност и покажува дека со доволно висок притисок, дури и најмирните елементи можат да станат „активни учесници“ во природата!