Ein internationales Forscherteam hat eine unter Hochdruck stabile Heliumverbindung entdeckt. Der Fund ist überraschend, denn unter Normalbedingungen reagiert das Edelgas überhaupt nicht mit anderen Elementen. Die Wissenschaftler um Artem R. Oganov vom Skolkovo-Institut für Wissenschaft und Technologie (Skoltech) in Russland, der Stony Brook University in den USA und dem Moskauer Institut für Physik und Technologie berichten nun im Fachblatt „Nature Chemistry“, dass sie zwei stabile Verbindungen von Natrium mit Helium voraussagen konnten und eine davon auch beobachtet haben. Dafür verwendeten sie verschiedene Experimente, die unter anderem bei DESY durchgeführt wurden.

Helium ist nach Wasserstoff das zweithäufigste Element im Universum und gehört zur Elementgruppe der Edelgase, die chemisch sehr träge sind und nur in sehr seltenen Fällen Verbindungen mit anderen Elementen eingehen. Unter Normalbedingungen ist keine stabile Verbindung von Helium bekannt. Die Forscher verwendeten einen speziellen Algorithmus namens USPEX, der zur Vorhersage der Kristallstruktur von Verbindungen verwendet werden kann, um systematisch nach stabilen Heliumverbindungen zu suchen. Dabei sind sie auf zwei mögliche Verbindungen gestoßen: Na₂He, eine Verbindung aus Natrium (Na) und Helium (He) sowie Na₂HeO, in der zusätzlich Sauerstoff (O) enthalten ist.

Na₂He konnten die Wissenschaftler auch tatsächlich herstellen. Dafür verwendeten sie eine sogenannte Diamantstempelzelle, in der Proben unter sehr hohen Druck gesetzt werden können. Bei einem Druck, der 1,1 Millionen Mal so hoch ist wie der Luftdruck am Erdboden, ging das Helium schließlich die Verbindung ein. Die Wissenschaftler sagen voraus, dass die Natrium-Helium-Verbindung bis zu einem Druck von 10 Millionen Atmosphären stabil ist. Der Nachweis der Verbindung gelang unter anderem durch sogenannte Röntgendiffraktions-Untersuchungen, die auch an der Extreme Conditions Beamline P02.2 an DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III durchgeführt wurden. An der Extreme Conditions Beamline können Materialproben bei extrem hohen Druck und extremen Temperaturen durchleuchtet werden. DESY-Forscherin Zuzana Konôpková war als Ko-Autorin der Studie an der Durchführung der Experimente beteiligt.

„Die Verbindung, die wir beobachtet haben, ist sehr außergewöhnlich: Die Heliumatome gehen eigentlich keine Bindungen ein, aber ihre Präsenz verändert die chemischen Interaktionen zwischen den Natriumatomen völlig. Sie zwingen Elektronen in die würfelförmigen Lücken der Kristallstruktur“, sagt Xiao Dong, Hauptautor der Studie. Na₂He ist ein sogenanntes Elektrid, eine spezielle Form eines salzähnlichen Kristalls. Es beinhaltet eine positiv geladene Gitterstruktur aus Natriumionen und eine zweite, negativ geladene Gitterstruktur aus Elektronenpaaren.

Na₂HeO, die zweite Verbindung, soll bei Druckverhältnissen von 0,15 bis 1,1 Millionen Atmosphären stabil sein. Es hat eine ähnliche Kristallstruktur wie Na₂He, in der die Elektronenpaare durch negativ geladenen Sauerstoff ersetzt werden.

„Die Studie zeigt, dass man durch eine Kombination von fortschrittlichen theoretischen Methoden und Experimenten neue, erstaunliche Phänomene entdecken kann“, sagt Oganov. Die Ergebnisse könnten neue Erkenntnisse zu chemischen Vorgängen im Inneren von Gasplaneten oder Sternen bringen, in denen Helium eine wichtige Rolle spielt.

 

Originalarbeit:
A stable compound of helium and sodium at high pressure; Xiao Dong, Artem R. Oganov, Alexander F. Goncharov, Elissaios Stavrou,
Sergey Lobanov, Gabriele Saleh, Guang-Rui Qian, Qiang Zhu, Carlo Gatti, Volker L. Deringer, Richard Dronskowski, Xiang-Feng Zhou, Vitali Prakapenka, Zuzana Konôpková, Ivan Popov, Alexander I. Boldyrev and Hui-Tian Wang; „Nature Chemistry“, 2017; DOI: 10.1038/NCHEM.2716