Русские посадили благородный газ в клетку

Всеобщее оживление, вызванное открытием «химии гелия», лишь отчасти объясняется тем, что это открытие сделано русской профессурой — Артемом Огановым с коллегами (Сколтех, МФТИ, Университет Стони Брук) и группой Александра Гончарова (Научный институт Карнеги, Вашингтон). Другая причина состоит в том, что открытие и правда революционное.

Гелия в мире очень много — он составляет почти четверть всего, что есть во Вселенной*. У нас на Земле, правда, его поменьше — всего 3 мг на тонну земного вещества, — но все равно больше, чем, к примеру, золота или платины. Тем не менее с золотом люди носятся с незапамятных времен, а гелий впервые удалось пощупать в земных условиях только в самом конце XIX века. Что же не так с гелием?

Его проблема вот в чем: химические элементы потому и называют «химическими», что их открывали и исследовали с помощью химии. Химия получается в том случае, когда атомы взаимодействуют друг с другом с помощью электронных оболочек. Даже вышеупомянутые благородные металлы, золото и платина, умеют это делать (например, в слитке золота электроны находятся в совместном пользовании всех ядер, отчего этот слиток и способен проводить электричество). А вот у гелия химии нет.

Атом гелия — два нейтрона**, два протона и два электрона на единственной орбитали — видимо, самый гармоничный, совершенный и самодостаточный атом во Вселенной. Он настолько хорош, что любое общение с другими атомами — даже того же гелия — его только портит. Потому он с ними и не общается, что и нашло выражение в максиме: «У гелия химии нет».

Но пока все так думали, химия проделала достаточно большой путь, от школьных картинок с валентностями в виде палочек до предсказания структуры и свойств веществ с помощью квантовой механики. В процессе выяснилось, в частности, что можно втянуть атом в разные химические интриги, не посягая на его электроны. Можно, к примеру, положить атом аргона в авоську из атомов углерода, и он будет довольно долго там лежать как ни в чем не бывало, так что вы и не догадаетесь, что никакой химической связи там нет. Такие штуки стали называть «клатратами». Один из клатратов всем прекрасно известен со школьной скамьи: это соединение атома йода с волокном крахмала, имеющее синий цвет.

Клатратные соединения благородных газов получены еще в середине прошлого столетия. Но с гелием и эти фокусы не получались, уж больно мал его атом и уж больно он самодостаточен.

И так было буквально до сегодняшнего вечера. А сегодня вечером Nature Chemistry опубликовал статью, из которой следует, что сиротское одиночество гелия подошло к концу.

Молекула, а вернее, кристалл, о котором пойдет речь, состоит из гелия и натрия. Выглядит он так.

Фиолетовые шарики — это атомы натрия. Их решетка удерживает атомы гелия, заключенные в голубые кубы (хоть атомы гелия и гораздо меньше атомов натрия, но они сохраняют свой нелюдимый нрав даже в этом кристалле, так что на картинке им приходится выделять просторную жилплощадь). Красные ромбики — это электроны, принадлежащие вообще-то тому же натрию, просто наличие атомов гелия заставляет их образовывать своеобразные «сгустки», похожие на отдельные атомы.

Вся эта конструкция напоминает объемную шахматную доску. При этом электроны сбиваются в сгустки благодаря наличию атомов гелия, а атомы гелия удерживаются на своих местах благодаря решетке из натрия и его сгустившихся электронов. Кстати, такие кристаллы, где роль отрицательных ионов в решетке играют хитрые электронные конфигурации, называются «электридами». Догадливый читатель уже сообразил, что подобная штука не проводит электрический ток: ни электроны, ни тем более катионы натрия, сдвинуться с места в такой решетке неспособны.

Именно такой кристалл и предсказал Сяо Дун, аспирант Артема Оганова, с помощью алгоритма USPEX (о том, что это за штука, Оганов рассказывал вот здесь). Предсказано и еще одно соединение — такая же объемная шахматная доска, в которой на месте электронных красных ромбиков находятся атомы кислорода, присвоившие себе, как у них это принято, электроны натрия).

Про кристалл с кислородом мы упоминаем лишь мимоходом по той причине, что получить в лаборатории удалось именно первый из кристаллов — Na2He. Это, собственно, сделал профессор Александр Гончаров в Вашингтоне. Он вообще-то занимается высокими давлениями, и поэтому у него есть машинка, где между кристаллами алмаза можно создать давление в миллион атмосфер. Именно при таком давлении и образуется кристалл, о котором идет речь в этой заметке.

Почему это важно? Во-первых, потому что химии гелия не было, и вот она есть. Во-вторых, потому что этот пример побуждает нас восхищаться мощью вычислительных методов, которые позволяют предугадать, какая хитрая штука возникнет из гелия и натрия при давлении в миллион атмосфер. С гордостью сообщаем читателям, что Артем Оганов — бывший участник проекта «Сноб», а когда он позже вдрызг рассорился с нашей редакцией, у него появилось чуть больше свободного времени для вот таких эпохальных свершений.

В-третьих, в нашей повседневной жизни давление в миллион атмосфер возникает только там, где есть профессор Гончаров и его волшебная машинка, однако Вселенная велика. В ней есть, к примеру, недра звезд или внутренности планет-гигантов, где такие давления — скучная повседневность. И теперь ученые чуть лучше представляют себе, какие химические чудеса там способны происходить.

Нам нечего добавить к этой статье, кроме поздравлений всем авторам открытия. А тот факт, что в связи с этой научной сенсацией звучат родные русскому слуху слова «Сколково» и «Физтех», вызывает в нас национально-окрашенные положительные эмоции, хоть нашей личной заслуги тут и нет. Ну так и «Грады» в Донбасс тоже ведь не лично мы вводили: чувствам не прикажешь.

___________________

Примечания

*Мы имеем в виду четверть обычного вещества. Всякие фотоны, нейтрино и прочая темная материя в счет не берется.

**Есть и изотоп гелия с единственным нейтроном, He-3. Он тоже очень красив, гармоничен и ни с чем не образует связей.