ฮีเลียมถูกบังคับให้สร้างสารประกอบเคมีที่เสถียร เซอร์ไพรส์: ลองเดาดูสิว่าธาตุใดมีมากเป็นอันดับสามในจักรวาล? ลิเธียมและฮีเลียมมีความสัมพันธ์กัน

นักเคมีชาวรัสเซียและต่างประเทศอ้างความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของสารประกอบเสถียรสองชนิดที่เป็นธาตุที่ "เกลียดกลัวชาวต่างชาติ" มากที่สุด นั่นก็คือฮีเลียม และได้ยืนยันการทดลองว่ามีหนึ่งในนั้นคือโซเดียมเฮไลด์ ตามบทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Chemistry

"การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าปรากฏการณ์ที่ไม่คาดคิดโดยสิ้นเชิงสามารถค้นพบได้อย่างไรโดยใช้วิธีทางทฤษฎีและการทดลองล่าสุด งานของเราแสดงให้เห็นอีกครั้งว่าเรารู้เพียงเล็กน้อยเพียงใดเกี่ยวกับอิทธิพลของสภาวะที่รุนแรงต่อเคมี และบทบาทของปรากฏการณ์ดังกล่าวต่อกระบวนการต่างๆ ภายในดาวเคราะห์ยังคงมีอยู่ ได้รับการอธิบาย” Artem Oganov ศาสตราจารย์ที่ Skoltech และ Moscow Phystech ใน Dolgoprudny กล่าว

ความลับของก๊าซมีตระกูล

สสารดึกดำบรรพ์ของจักรวาลซึ่งเกิดขึ้นหลายร้อยล้านปีหลังจากบิ๊กแบงประกอบด้วยองค์ประกอบเพียงสามองค์ประกอบเท่านั้น ได้แก่ ไฮโดรเจน ฮีเลียม และลิเธียมในปริมาณเล็กน้อย ฮีเลียมยังคงเป็นองค์ประกอบที่พบมากเป็นอันดับสามในจักรวาล แต่พบได้ในปริมาณที่น้อยมากบนโลก และปริมาณสำรองฮีเลียมบนโลกก็ลดลงอย่างต่อเนื่องเนื่องจากการระเหยไปในอวกาศ

คุณลักษณะที่โดดเด่นของฮีเลียมและองค์ประกอบอื่น ๆ ของกลุ่มที่แปดของตารางธาตุซึ่งนักวิทยาศาสตร์เรียกว่า "ก๊าซมีตระกูล" คือพวกมันไม่เต็มใจอย่างยิ่ง - ในกรณีของซีนอนและองค์ประกอบหนักอื่น ๆ - หรือโดยหลักการแล้วเช่นนีออน ไม่สามารถเกิดปฏิกิริยาเคมีได้ มีสารประกอบซีนอนและคริปทอนเพียงไม่กี่สิบชนิดที่มีฟลูออรีน ออกซิเจน และสารออกซิไดซ์ที่แรงอื่นๆ สารประกอบที่เป็นศูนย์ของนีออนและสารประกอบฮีเลียมหนึ่งตัว ค้นพบโดยการทดลองในปี พ.ศ. 2468

สารประกอบนี้ซึ่งเป็นการรวมกันของโปรตอนและฮีเลียมไม่ใช่สารประกอบทางเคมีที่แท้จริงในความหมายที่เข้มงวดของคำว่า - ฮีเลียมในกรณีนี้ไม่มีส่วนร่วมในการก่อตัวของพันธะเคมีแม้ว่าจะส่งผลต่อพฤติกรรมของอะตอมไฮโดรเจนที่ปราศจาก อิเล็กตรอน. ดังที่นักเคมีสันนิษฐานไว้ก่อนว่า “โมเลกุล” ของสสารนี้น่าจะพบได้ในสื่อระหว่างดวงดาว แต่ตลอด 90 ปีที่ผ่านมา นักดาราศาสตร์ยังไม่ได้ค้นพบพวกมัน เหตุผลที่เป็นไปได้เนื่องจากไอออนนี้ไม่เสถียรอย่างยิ่งและถูกทำลายเมื่อสัมผัสกับโมเลกุลอื่นๆ เกือบทุกชนิด

Artem Oganov และทีมงานของเขาสงสัยว่าสารประกอบฮีเลียมสามารถดำรงอยู่ได้หรือไม่ภายใต้สภาวะแปลกใหม่ที่นักเคมีภาคพื้นดินไม่ค่อยนึกถึง - อย่างสุดขั้ว แรงกดดันสูงและอุณหภูมิ Oganov และเพื่อนร่วมงานของเขาได้ศึกษาเคมีที่ "แปลกใหม่" ดังกล่าวมาระยะหนึ่งแล้วและยังได้พัฒนาอัลกอริธึมพิเศษสำหรับการค้นหาสารที่มีอยู่ในสภาวะดังกล่าว ด้วยความช่วยเหลือ พวกเขาค้นพบว่าในส่วนลึกของก๊าซยักษ์และดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ อาจมีกรดออร์โธคาร์บอนิกที่แปลกใหม่ เกลือแกงธรรมดาที่ "เป็นไปไม่ได้" และสารประกอบอื่นๆ อีกจำนวนหนึ่งที่ "ละเมิด" กฎของเคมีคลาสสิก

นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียและชาวต่างประเทศของ USPEX ค้นพบว่าที่ความดันสูงเป็นพิเศษซึ่งเกินความดันบรรยากาศถึง 150,000 ล้านเท่าโดยใช้ระบบเดียวกัน มีสารประกอบฮีเลียมที่เสถียรสองชนิด ได้แก่ โซเดียมออกซีเจลไลด์และโซเดียมเฮไลด์ สารประกอบแรกประกอบด้วยโซเดียม 2 อะตอมและฮีเลียม 1 อะตอม และสารประกอบที่สองประกอบด้วยออกซิเจน ฮีเลียม และโซเดียม 2 อะตอม

อะตอมบนทั่งเพชร

แรงกดดันทั้งสองนี้สามารถหาได้ง่ายโดยใช้ทั่งเพชรสมัยใหม่ ซึ่งเป็นสิ่งที่เพื่อนร่วมงานของ Oganov ทำภายใต้การนำของ Alexander Goncharov ชาวรัสเซียอีกคนจากห้องปฏิบัติการธรณีฟิสิกส์ในวอชิงตัน การทดลองของเขาแสดงให้เห็นว่าโซเดียมเฮไลด์ก่อตัวที่ความดันประมาณ 1.1 ล้านบรรยากาศและคงความเสถียรได้มากถึงอย่างน้อย 10 ล้านบรรยากาศ

สิ่งที่น่าสนใจคือ โซเดียมเฮไลด์มีโครงสร้างและคุณสมบัติคล้ายคลึงกับเกลือฟลูออรีน ซึ่งเป็น "เพื่อนบ้าน" ของฮีเลียมในตารางธาตุ อะตอมฮีเลียมแต่ละอะตอมใน "เกลือ" นี้ล้อมรอบด้วยอะตอมโซเดียม 8 อะตอม ซึ่งคล้ายกับโครงสร้างของแคลเซียมฟลูออไรด์หรือเกลือกรดไฮโดรฟลูออริกอื่นๆ อิเล็กตรอนใน Na2He ถูก "ดึงดูด" ไปยังอะตอมอย่างแรงจนสารประกอบนี้เป็นฉนวนซึ่งแตกต่างจากโซเดียม นักวิทยาศาสตร์เรียกโครงสร้างดังกล่าวว่าผลึกไอออนิก เนื่องจากอิเล็กตรอนมีบทบาทและตำแหน่งของไอออนที่มีประจุลบอยู่ในนั้น

“สารประกอบที่เราค้นพบนั้นค่อนข้างผิดปกติ แม้ว่าอะตอมของฮีเลียมไม่ได้มีส่วนร่วมโดยตรงในพันธะเคมี แต่การมีอยู่ของพวกมันจะเปลี่ยนปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างอะตอมของโซเดียมโดยพื้นฐาน ส่งเสริมการแปลเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่แข็งแกร่ง ซึ่งทำให้วัสดุที่ได้นั้นเป็นฉนวน” Xiao Dong อธิบาย จากมหาวิทยาลัย Nankan ในเมืองเทียนจิน (ประเทศจีน)

สารประกอบอีกชนิดหนึ่งคือ Na2HeO มีความเสถียรในช่วงความดันตั้งแต่ 0.15 ถึง 1.1 ล้านบรรยากาศ สารนี้ยังเป็นผลึกไอออนิกและมีโครงสร้างคล้ายกับ Na2He มีเพียงบทบาทของไอออนที่มีประจุลบในนั้นเท่านั้นที่ไม่ได้เล่นโดยอิเล็กตรอน แต่โดยอะตอมออกซิเจน

สิ่งที่น่าสนใจคือโลหะอัลคาไลอื่นๆ ทั้งหมดที่มีปฏิกิริยาสูงกว่า ไม่ค่อยเต็มใจที่จะเกิดสารประกอบที่มีฮีเลียมที่ความดันสูงกว่าความดันบรรยากาศไม่เกิน 10 ล้านเท่า

Oganov และเพื่อนร่วมงานของเขาให้ความสำคัญกับความจริงที่ว่าวงโคจรที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในอะตอมของโพแทสเซียมรูบิเดียมและซีเซียมเปลี่ยนแปลงอย่างเห็นได้ชัดเมื่อความดันเพิ่มขึ้นซึ่งไม่เกิดขึ้นกับโซเดียมด้วยเหตุผลที่ยังไม่ชัดเจน นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าโซเดียมเฮไลด์และสารอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกันสามารถพบได้ในแกนกลางของดาวเคราะห์บางดวง ดาวแคระขาว และดาวฤกษ์อื่นๆ

นักวิทยาศาสตร์ได้รับและลงทะเบียนโมเลกุลลิเธียมฮีเลียม LiHe มันเป็นหนึ่งในโมเลกุลที่เปราะบางที่สุดที่เรารู้จัก และมีขนาดใหญ่กว่าขนาดโมเลกุลของน้ำมากกว่าสิบเท่า

ดังที่ทราบกันดีว่าอะตอมและโมเลกุลที่เป็นกลางสามารถสร้างพันธะที่มีความเสถียรต่อกันไม่มากก็น้อยได้ในสามวิธี ประการแรก ผ่านพันธะโควาเลนต์ โดยที่อะตอมสองอะตอมใช้อิเล็กตรอนคู่ร่วมกันตั้งแต่หนึ่งคู่ขึ้นไป พันธะโควาเลนต์นั้นแข็งแกร่งที่สุดในสามพันธะ พลังงานลักษณะเฉพาะของการแตกมักจะเท่ากับโวลต์อิเล็กตรอนหลายตัว

อ่อนแอกว่าพันธะไฮโดรเจนโควาเลนต์อย่างเห็นได้ชัด นี่คือแรงดึงดูดที่เกิดขึ้นระหว่างอะตอมไฮโดรเจนที่ถูกพันธะกับอะตอมอิเล็กโตรเนกาติตีของโมเลกุลอื่น (โดยปกติจะเป็นออกซิเจนหรือไนโตรเจน ซึ่งปกติจะน้อยกว่าฟลูออรีน) แม้ว่าพลังงานของพันธะไฮโดรเจนจะน้อยกว่าพันธะโควาเลนต์หลายร้อยเท่า แต่ก็เป็นตัวกำหนดส่วนใหญ่ คุณสมบัติทางกายภาพน้ำ และยังมีบทบาทสำคัญในโลกอินทรีย์อีกด้วย

และสุดท้าย จุดอ่อนที่สุดคือปฏิสัมพันธ์ที่เรียกว่า ฟาน เดอร์ วาลส์ บางครั้งก็เรียกว่ากระจัดกระจาย มันเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างไดโพล-ไดโพลของอะตอมหรือโมเลกุลสองชนิด ในกรณีนี้ ไดโพลสามารถมีอยู่ในโมเลกุลตั้งแต่แรก (เช่น น้ำมีโมเมนต์ไดโพล) หรือถูกเหนี่ยวนำอันเป็นผลมาจากอันตรกิริยา

พลังงานลักษณะเฉพาะของพันธะแวนเดอร์วาลส์อยู่ในหน่วยเคลวิน (อิเล็กตรอนโวลต์ที่กล่าวถึงข้างต้นสอดคล้องกับประมาณ 10,000 เคลวิน) การมีเพศสัมพันธ์ของ van der Waals ที่อ่อนแอที่สุดอยู่ระหว่างไดโพลเหนี่ยวนำสองตัว หากมีอะตอมที่ไม่มีขั้วสองอะตอม ผลจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน แต่ละอะตอมจะมีโมเมนต์ไดโพลที่สั่นแบบสุ่ม (เปลือกอิเล็กตรอนดูเหมือนจะสั่นเล็กน้อยเมื่อเทียบกับนิวเคลียส) ช่วงเวลาเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน และด้วยเหตุนี้ จึงมีทิศทางที่อะตอมทั้งสองเริ่มดึงดูดกัน

อะตอมเฉื่อยมากที่สุดคือฮีเลียม มันไม่ก่อให้เกิดพันธะโควาเลนต์กับอะตอมอื่น ในเวลาเดียวกัน ค่าของความสามารถในการโพลาไรซ์ของมันมีขนาดเล็กมาก นั่นคือ มันยากที่จะสร้างพันธะที่กระจัดกระจาย อย่างไรก็ตาม มีเหตุการณ์สำคัญประการหนึ่ง อิเล็กตรอนในอะตอมฮีเลียมนั้นถูกนิวเคลียสจับกันอย่างแน่นหนาจนสามารถนำเข้าใกล้อะตอมอื่น ๆ มากได้โดยไม่ต้องกลัวแรงผลัก - จนถึงระยะห่างของลำดับรัศมีของอะตอมนี้ แรงกระจายขยายตัวเพิ่มขึ้นโดยมีระยะห่างระหว่างอะตอมลดลงอย่างรวดเร็ว - แปรผกผันกับกำลังที่หกของระยะทาง!

นี่คือที่มาของแนวคิด: หากคุณนำอะตอมฮีเลียมสองอะตอมเข้ามาใกล้กัน พันธะ van der Waals ที่เปราะบางจะยังคงเกิดขึ้นระหว่างอะตอมเหล่านั้น สิ่งนี้เกิดขึ้นจริงในช่วงกลางทศวรรษ 1990 แม้ว่าจะต้องใช้ความพยายามอย่างมากก็ตาม พลังงานของพันธะดังกล่าวมีค่าเพียง 1 มิลลิเคลวิน และโมเลกุล He2 ถูกตรวจพบในปริมาณเล็กน้อยในไอพ่นฮีเลียมที่มีความเย็นยิ่งยวด

นอกจากนี้คุณสมบัติของโมเลกุล He2 ยังมีเอกลักษณ์และผิดปกติหลายประการ เช่นขนาดของมันคือ... ประมาณ 5 นาโนเมตร! เมื่อเปรียบเทียบแล้ว ขนาดของโมเลกุลของน้ำจะอยู่ที่ประมาณ 0.1 นาโนเมตร ในกรณีนี้ พลังงานศักย์ขั้นต่ำของโมเลกุลฮีเลียมเกิดขึ้นในระยะทางที่สั้นกว่ามาก - ประมาณ 0.2 นาโนเมตร - อย่างไรก็ตาม โดยส่วนใหญ่ - ประมาณ 80% - อะตอมฮีเลียมในโมเลกุลใช้จ่ายในโหมดการขุดอุโมงค์ นั่นคือใน ภูมิภาคที่ไม่สามารถระบุตำแหน่งได้ภายในกรอบของกลศาสตร์คลาสสิก

อะตอมที่ใหญ่ที่สุดรองจากฮีเลียมคือลิเธียม ดังนั้นหลังจากได้รับโมเลกุลฮีเลียมแล้ว จึงเป็นเรื่องธรรมดาที่จะศึกษาความเป็นไปได้ในการแก้ไขพันธะระหว่างฮีเลียมและลิเธียม และในที่สุด นักวิทยาศาสตร์ก็สามารถทำเช่นนี้ได้เช่นกัน โมเลกุลลิเธียมฮีเลียม LiHe มีพลังงานยึดเหนี่ยวสูงกว่าฮีเลียม-ฮีเลียม - 34±36 mK และในทางกลับกันระยะห่างระหว่างอะตอมนั้นน้อยกว่า - ประมาณ 2.9 นาโนเมตร อย่างไรก็ตาม แม้แต่ในโมเลกุลนี้ อะตอมส่วนใหญ่ยังอยู่ในสถานะต้องห้ามคลาสสิกภายใต้กำแพงพลังงาน เป็นที่น่าสนใจว่าหลุมศักยภาพของโมเลกุล LiHe นั้นมีขนาดเล็กมากจนสามารถดำรงอยู่ในสถานะพลังงานการสั่นสะเทือนเดียวเท่านั้น ซึ่งจริงๆ แล้วเป็นการแยกแบบดับเบิ้ลเนื่องจากการหมุนของอะตอม 7Li ค่าคงที่การหมุนของมันสูงมาก (ประมาณ 40 mK) ซึ่งการกระตุ้นของสเปกตรัมการหมุนนำไปสู่การทำลายโมเลกุล

Brett Esry / มหาวิทยาลัยรัฐแคนซัส

จนถึงตอนนี้ผลลัพธ์ที่ได้นั้นน่าสนใจจากมุมมองพื้นฐานเท่านั้น อย่างไรก็ตาม พวกเขามีความสนใจในสาขาวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องอยู่แล้ว ดังนั้นกลุ่มฮีเลียมที่มีอนุภาคจำนวนมากจึงสามารถกลายเป็นเครื่องมือในการศึกษาผลกระทบของการหน่วงในสุญญากาศของ Casimir การศึกษาปฏิสัมพันธ์ของฮีเลียม-ฮีเลียมก็มีความสำคัญต่อเคมีควอนตัม ซึ่งสามารถทดสอบแบบจำลองของมันในระบบนี้ได้ และแน่นอนว่า ไม่ต้องสงสัยเลยว่านักวิทยาศาสตร์จะคิดค้นการประยุกต์ใช้งานอื่นๆ ที่น่าสนใจและสำคัญสำหรับวัตถุฟุ่มเฟือย เช่น โมเลกุล He2 และ LiHe ได้

คุณอาจเคยได้ยินวลีที่ว่า “คุณเกิดมาจากละอองดาว” – และมันเป็นเรื่องจริง อนุภาคจำนวนมากที่ประกอบเป็นร่างกายของคุณและโลกรอบตัวคุณก่อตัวขึ้นภายในดวงดาวเมื่อหลายพันล้านปีก่อน แต่มีวัตถุบางอย่างที่ก่อตัวขึ้นตั้งแต่แรกเริ่มหลังการกำเนิดของจักรวาล

นักดาราศาสตร์บางคนเชื่อว่าพวกมันปรากฏตัวหลังจากบิกแบงเพียงไม่กี่นาที องค์ประกอบที่พบบ่อยที่สุดในจักรวาลคือไฮโดรเจนและฮีเลียม และมีปริมาณน้อยมาก สารเคมีเหมือนลิเธียม

นักดาราศาสตร์สามารถระบุได้อย่างแม่นยำเพียงเล็กน้อยว่ามีลิเธียมอยู่ในจักรวาลอายุน้อยเพียงใด เพื่อที่จะทำสิ่งนี้ได้ คุณจะต้องสำรวจดวงดาวที่เก่าแก่ที่สุด แต่ผลลัพธ์ที่ได้ไม่ตรงกัน - ดาวฤกษ์รุ่นเก่ามีลิเธียมน้อยกว่าที่คาดไว้ถึง 3 เท่า! สาเหตุของความลึกลับนี้ยังไม่ทราบ

มาดูกันดีกว่า...

พูดอย่างเคร่งครัดในระดับการสังเกตของเราในปัจจุบันไม่ควรมีข้อผิดพลาด: มีลิเธียมน้อยมาก สถานการณ์บอกเป็นนัยอย่างชัดเจนถึงฟิสิกส์ใหม่ กระบวนการที่ไม่รู้จักซึ่งเกิดขึ้นทันทีหลังบิกแบง

การวิจัยล่าสุดในหัวข้อนี้ส่งผลกระทบต่อภูมิภาคที่เปลี่ยนแปลงน้อยที่สุดนับตั้งแต่เกิดบิ๊กแบง ซึ่งเป็นชั้นบรรยากาศของดาวอายุมากที่บริเวณรอบนอกของทางช้างเผือก เนื่องจากถูกแยกออกจากแกนกลางที่สามารถผลิตลิเธียมได้ ความน่าจะเป็นของการปนเปื้อนในช่วงปลายที่ส่งผลต่อผลลัพธ์จึงควรต่ำมาก ประมาณหนึ่งในสามของระดับที่ทำนายโดยการสร้างแบบจำลองพบในบรรยากาศของลิเธียม-7 เหตุผล? คำอธิบายหนึ่งที่นำเสนอคือเขาจมน้ำ ลิเธียมจากชั้นบรรยากาศของดวงดาวเริ่มจมลงไปในมวลของดวงดาว และค่อยๆ ลึกลงไปถึงระดับความลึกของมัน นั่นคือสาเหตุที่ไม่สามารถมองเห็นได้ในชั้นบรรยากาศของพวกเขา

คริสโตเฟอร์ ฮอว์ก จากมหาวิทยาลัยนอเทรอดาม (อินเดียนา สหรัฐอเมริกา) และเพื่อนร่วมงานของเขาได้ตรวจสอบผลลัพธ์โดยอาศัยข้อมูลจากเมฆแมเจลแลนเล็ก ซึ่งเป็นดาราจักรบริวารของทางช้างเผือก และเพื่อกำจัดข้อมูลผลกระทบของ "การจมลิเธียม" และอิทธิพลอื่น ๆ ของกระบวนการดาวฤกษ์ในท้องถิ่น นักวิจัยได้วิเคราะห์เนื้อหาของก๊าซระหว่างดวงดาวในกาแลคซีแคระนี้ โดยแนะนำว่าควรภูมิใจในลิเธียมของมัน: ไม่มีอะไรเลย เพื่อให้มันจมลงไป

จากการสำรวจจากกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่มากของหอดูดาวยุโรปตอนใต้ นักดาราศาสตร์พบว่ามีลิเธียมมากพอๆ กับแบบจำลองบิกแบงที่คาดการณ์ไว้ ตามที่รายงานในวารสาร Nature แต่น่าเสียดายที่ไม่ได้ช่วยแก้ไขปัญหาได้มากนัก ความจริงก็คือลิเธียมก่อตัวอย่างต่อเนื่องในจักรวาลในระหว่างกระบวนการทางธรรมชาติ และการระเบิดของซุปเปอร์โนวาก็กระจายมันไปทั่วเมตากาแล็กซีเท่า ๆ กัน เช่นเดียวกับองค์ประกอบอื่น ๆ ทั้งหมดที่ผลิตในส่วนลึก ผลลัพธ์ใหม่ตามที่ Christopher Hawk กล่าว มีเพียงความลึกลับของลิเธียมที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเท่านั้น: "เราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับการแก้ปัญหานี้ได้ก็ต่อเมื่อปริมาณลิเธียมที่มีอยู่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงนับตั้งแต่บิ๊กแบง" แล้วในระดับของเมฆแมเจลแลนเล็กเท่านั้น!

สิ่งที่สำคัญที่สุด: เป็นเรื่องยากมากที่จะจินตนาการว่ากว่า 12–13 พันล้านปีของการหลอมนิวเคลียร์แสนสาหัสซึ่งสร้างองค์ประกอบที่หนักมากที่ทำให้ ชีวิตที่เป็นไปได้ด้วยเหตุผลบางประการ ลิเธียมไม่ได้ถูกผลิตบนโลก อย่างน้อยความเข้าใจในปัจจุบันของเราเกี่ยวกับการสังเคราะห์นิวเคลียสแสนสาหัสไม่อนุญาตให้เราเสนอสมมติฐานดังกล่าว

ที่แย่กว่านั้นคืองานใหม่ของ Miguel Pato จากมหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งมิวนิก (เยอรมนี) และ Fabio Iocco จากมหาวิทยาลัยสตอกโฮล์ม (สวีเดน) แสดงให้เห็นว่าไม่เพียงแต่หลุมดำมวลมหาศาลในแกนกลางของกาแลคซีเท่านั้น แต่ยังรวมถึงหลุมดำที่พบมากที่สุด (และอีกจำนวนมาก) BH ที่มาจากดาวฤกษ์จะต้องสร้างลิเธียมในจานสะสมมวลสารและค่อนข้างเข้มข้น

ตอนนี้ปรากฎว่าไมโครควาซาร์เกือบทุกตัว (เพียงระบบหลุมดำ - จานสะสมมวลสาร) ควรสร้างลิเธียม แต่ในทางทฤษฎีแล้ว ควรมีมากกว่า SMBH มาก Miguel Pato ตั้งข้อสังเกต

สรุปแล้วยังไม่มีความชัดเจนในประเด็นนี้ ตัวอย่างเช่น คริสโตเฟอร์ ฮอว์ก เสนอว่าทันทีหลังเกิดบิ๊กแบง ปฏิกิริยาแปลกใหม่บางอย่างจากมุมมองทางกายภาพอาจเกิดขึ้นในจักรวาล โดยมีอนุภาคสสารมืดเข้ามามีส่วนร่วม และพวกมันได้ยับยั้งการก่อตัวของลิเธียม นี่สามารถอธิบายความจริงที่ว่ามีลิเธียมในเมฆแมเจลแลนเล็กมากกว่าในดาราจักรของเรา กาแลคซีแคระซึ่งมี SMC อยู่น่าจะดึงดูดน้อยกว่าในดาราจักรของเรา สสารมืดในจักรวาลยุคแรก ซึ่งหมายความว่าปฏิกิริยาสมมุติเหล่านี้ส่งผลต่อความเข้มข้นของลิเธียมในปฏิกิริยาน้อยลง นายฮอว์กตั้งใจที่จะทดสอบแนวคิดนี้เพิ่มเติม การศึกษาเชิงลึกเมฆแมเจลแลนเล็ก...

จนถึงขณะนี้ เราสามารถมองหาลิเธียมในดวงดาวที่อยู่ใกล้เราที่สุดในกาแล็กซีของเราเท่านั้น และตอนนี้นักดาราศาสตร์กลุ่มหนึ่งสามารถระบุระดับลิเธียมในกระจุกดาวนอกดาราจักรของเราได้

กระจุกดาวเมสไซเออร์ 54 มีความลับ - มันไม่ได้เป็นของทางช้างเผือกและเป็นส่วนหนึ่งของกาแลคซีบริวาร - ดาราจักรทรงรีคนแคระราศีธนู การจัดเรียงกระจุกนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถทดสอบได้ว่าปริมาณลิเธียมของดาวฤกษ์นอกทางช้างเผือกนั้นต่ำเช่นกันหรือไม่

บริเวณใกล้ทางช้างเผือกมีกระจุกดาวทรงกลมมากกว่า 150 กระจุกซึ่งประกอบด้วยดาวฤกษ์โบราณหลายแสนดวง กระจุกหนึ่งเหล่านี้พร้อมด้วยกระจุกอื่นๆ ในกลุ่มดาวราศีธนู ถูกค้นพบในช่วงปลายศตวรรษที่ 18 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส "นักล่าดาวหาง" ชาร์ลส์ เมสซิเออร์ และมีชื่อของเขาว่า เมสสิเยร์ 54

เป็นเวลากว่าสองศตวรรษแล้วที่นักวิทยาศาสตร์เชื่ออย่างผิดๆ ว่า M54 นั้นเป็นกระจุกเช่นเดียวกับกระจุกอื่นๆ ทั้งหมดในทางช้างเผือก แต่ในปี 1994 พบว่ากระจุกดาวนี้เป็นของกาแลคซีอื่น - ดาราจักรทรงรีคนแคระราศีธนู นอกจากนี้ ยังพบว่าวัตถุนี้อยู่ห่างจากโลก 90,000 ปีแสง ซึ่งมากกว่าระยะห่างระหว่างดวงอาทิตย์ถึงใจกลางกาแลคซีมากกว่า 3 เท่า

ใน ในขณะนี้นักดาราศาสตร์กำลังสังเกตการณ์ M54 ด้วยกล้องโทรทรรศน์สำรวจ VLT โดยพยายามตอบคำถามที่น่าสงสัยที่สุดข้อหนึ่งในดาราศาสตร์สมัยใหม่เกี่ยวกับการมีอยู่ของลิเธียมในดาวฤกษ์

ในภาพนี้ คุณไม่เพียงเห็นกระจุกดาวเท่านั้น แต่ยังเห็นฉากหน้าหนาแน่นมากที่ประกอบด้วยดาวฤกษ์ทางช้างเผือกอีกด้วย ภาพถ่ายโดย ESO

ก่อนหน้านี้ นักดาราศาสตร์สามารถระบุปริมาณลิเธียมได้เฉพาะในดวงดาวทางช้างเผือกเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ขณะนี้ทีมวิจัยที่นำโดย Alessio Mucciarelli จากมหาวิทยาลัย Bologna ได้ใช้การสำรวจ VLT เพื่อวัดปริมาณลิเธียมของกระจุกดาวนอกกาแลคซี M54 การศึกษาพบว่าปริมาณลิเธียมในดาว M54 เก่าไม่แตกต่างจากดาวฤกษ์ในทางช้างเผือก ดังนั้นไม่ว่าลิเธียมจะไปที่ใด ทางช้างเผือกก็ไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับลิเธียมเลย

โลหะลิเธียม

ลิเธียมเป็นส่วนใหญ่ โลหะเบาเบากว่าอลูมิเนียมถึง 5 เท่า ลิเธียมได้ชื่อมาจากข้อเท็จจริงที่มันถูกค้นพบใน "หิน" (กรีก ladίθος - หิน) ชื่อนี้ถูกเสนอโดย Berzelius นี่เป็นหนึ่งในสามองค์ประกอบ (นอกเหนือจากไฮโดรเจนและฮีเลียม) ที่ก่อตัวขึ้นในยุคการสังเคราะห์นิวเคลียสขั้นปฐมภูมิหลังบิ๊กแบง แม้กระทั่งก่อนการกำเนิดของดวงดาวด้วยซ้ำ ตั้งแต่นั้นมา ความเข้มข้นของมันในจักรวาลยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเลย

ลิเธียมสามารถเรียกได้ว่าเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของอารยธรรมสมัยใหม่และการพัฒนาเทคโนโลยีอย่างถูกต้อง ในช่วงศตวรรษที่ผ่านมา เกณฑ์สำหรับการพัฒนาอำนาจทางอุตสาหกรรมและเศรษฐกิจของรัฐคือการผลิตกรดและโลหะที่สำคัญที่สุด แหล่งน้ำและพลังงาน ในศตวรรษที่ 21 ลิเธียมได้เข้าสู่รายการตัวชี้วัดดังกล่าวอย่างมั่นคงและถาวร ปัจจุบัน ลิเธียมมีความสำคัญทางเศรษฐกิจและยุทธศาสตร์เป็นพิเศษในประเทศอุตสาหกรรมที่พัฒนาแล้ว

จากการศึกษาดาวดวงใหม่โนวา เดลฟีนี 2013 (V339 Del) นักดาราศาสตร์สามารถตรวจจับสารตั้งต้นทางเคมีของลิเธียมได้ จึงเป็นการสังเกตการณ์โดยตรงครั้งแรกเกี่ยวกับกระบวนการก่อตัวองค์ประกอบที่สามของตารางธาตุ ซึ่งก่อนหน้านี้เป็นเพียงทฤษฎีเท่านั้น .

“จนถึงขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์ยังไม่ได้รับการยืนยันจากการสังเกตการณ์โดยตรงเกี่ยวกับการก่อตัวของลิเธียมในดาวดวงใหม่ แต่หลังจากทำการวิจัยแล้ว เราสามารถพูดได้ว่ากระบวนการดังกล่าวเกิดขึ้น” ผู้เขียนหลักของดาวเคราะห์ดวงใหม่กล่าว งานทางวิทยาศาสตร์ Akito Taitsu จากหอดูดาวแห่งชาติของญี่ปุ่น

การระเบิดโนวาเกิดขึ้นเมื่อสสารในระบบดาวคู่ใกล้ไหลจากดาวฤกษ์ที่เป็นส่วนประกอบไปยังพื้นผิวดาวฤกษ์ข้างเคียงซึ่งเป็นดาวแคระขาว ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ไม่สามารถควบคุมได้ทำให้เกิดความส่องสว่างของดาวพุ่งสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งในทางกลับกัน ทำให้เกิดการก่อตัวของธาตุที่หนักกว่าไฮโดรเจนและฮีเลียม ซึ่งมีอยู่ในปริมาณที่มีนัยสำคัญภายในดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ในจักรวาล

หนึ่งใน องค์ประกอบทางเคมีที่เกิดขึ้นจากการระเบิดดังกล่าวคือไอโซโทปลิเธียม Li-7 ที่แพร่หลาย แม้ว่าองค์ประกอบทางเคมีหนักส่วนใหญ่จะก่อตัวขึ้นในแกนดาวฤกษ์และการระเบิดของซูเปอร์โนวา แต่ Li-7 นั้นเป็นองค์ประกอบที่เปราะบางเกินกว่าจะทนต่ออุณหภูมิสูงที่พบในแกนดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ได้

ลิเธียมบางส่วนที่มีอยู่ในจักรวาลก่อตัวขึ้นอันเป็นผลมาจากบิกแบง นอกจากนี้ ลิเธียมจำนวนหนึ่งอาจก่อตัวขึ้นอันเป็นผลมาจากอันตรกิริยาของรังสีคอสมิกกับดาวฤกษ์และสสารระหว่างดวงดาว อย่างไรก็ตาม กระบวนการเหล่านี้ไม่ได้อธิบายอะไรมากนัก ปริมาณมากลิเธียมที่มีอยู่ในจักรวาลในปัจจุบัน

ในช่วงทศวรรษ 1950 นักวิทยาศาสตร์ได้เสนอแนะว่าลิเธียมในจักรวาลอาจก่อตัวขึ้นจากไอโซโทปเบริลเลียม Be-7 ซึ่งก่อตัวใกล้พื้นผิวดาวฤกษ์และสามารถขนส่งออกไปในอวกาศได้ ซึ่งการเปิดรับแสงจะลดลง อุณหภูมิสูงบนวัสดุและลิเธียมที่สร้างขึ้นใหม่ยังคงอยู่ในสถานะที่มั่นคง แต่ก่อนนั้น วันนี้การสังเกตจากโลกพบว่าลิเธียมก่อตัวใกล้พื้นผิวดาวฤกษ์เป็นงานที่ค่อนข้างยาก

Taitsu และทีมของเขาใช้กล้องโทรทรรศน์ซูบารุซึ่งตั้งอยู่ในฮาวายในการสังเกตการณ์ ในระหว่างการสังเกตการณ์ ทีมงานได้บันทึกอย่างชัดเจนว่านิวไคลด์ Be-7 ซึ่งมีครึ่งชีวิต 53 วัน กลายเป็น Li-7 ได้อย่างไร

“สององค์ประกอบที่มีมากที่สุดในจักรวาลคือไฮโดรเจนและความโง่เขลา” - ฮาร์ลาน เอลลิสัน รองจากไฮโดรเจนและฮีเลียม ตารางธาตุเต็มไปด้วยเรื่องน่าประหลาดใจ ในหมู่มากที่สุด ข้อเท็จจริงที่น่าอัศจรรย์นอกจากนี้ ยังมีข้อเท็จจริงที่ว่าวัสดุทุกอย่างที่เราเคยสัมผัส เห็น หรือโต้ตอบด้วยนั้นประกอบด้วยสองสิ่งเดียวกัน คือ นิวเคลียสของอะตอม มีประจุบวก และอิเล็กตรอนมีประจุลบ วิธีที่อะตอมเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน การที่พวกมันผลัก พันธะ ดึงดูด และผลักไส การสร้างโมเลกุลที่เสถียร ไอออน และสถานะพลังงานอิเล็กทรอนิกส์ เป็นตัวกำหนดความงดงามของโลกรอบตัวเราอย่างแท้จริง

แม้ว่าคุณสมบัติควอนตัมและแม่เหล็กไฟฟ้าของอะตอมเหล่านี้และส่วนประกอบต่างๆ จะทำให้จักรวาลของเราเกิดขึ้นได้ สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่ามันไม่ได้เริ่มต้นด้วยองค์ประกอบเหล่านี้ทั้งหมด ตรงกันข้าม เธอเริ่มต้นโดยปราศจากพวกเขา

คุณเห็นไหมว่า เพื่อให้ได้โครงสร้างพันธะที่หลากหลาย และสร้างโมเลกุลที่ซับซ้อน ซึ่งเป็นรากฐานของทุกสิ่งที่เรารู้ คุณจำเป็นต้องมีอะตอมจำนวนมาก ไม่ใช่ในแง่ปริมาณ แต่ในความหลากหลาย กล่าวคือ มีอะตอมที่มีจำนวนโปรตอนต่างกันในนิวเคลียสของอะตอม นี่คือสิ่งที่ทำให้องค์ประกอบต่างๆ แตกต่างกัน

ร่างกายของเราต้องการธาตุต่างๆ เช่น คาร์บอน ไนโตรเจน ออกซิเจน ฟอสฟอรัส แคลเซียม และเหล็ก เปลือกโลกของเราต้องการธาตุต่างๆ เช่น ซิลิคอนและธาตุหนักอื่นๆ ในขณะที่แกนกลางของโลกเพื่อสร้างความร้อน จำเป็นต้องมีธาตุจากตารางธาตุทั้งหมดที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ เช่น ทอเรียม เรเดียม ยูเรเนียม และแม้แต่พลูโทเนียม

เวลาผ่านไประยะหนึ่ง นิวเคลียสแรกหลอมรวมเข้าด้วยกันและไม่เคยแยกจากกันอีก ทำให้เกิดไฮโดรเจนและไอโซโทปของมัน ฮีเลียมและไอโซโทปของมัน และลิเธียมและเบริลเลียมในปริมาณเล็กน้อยจนแทบจะมองไม่เห็น ซึ่งส่วนหลังได้สลายกัมมันตภาพรังสีไปเป็นลิเธียมในเวลาต่อมา นี่คือจุดเริ่มต้นของจักรวาล: ตามจำนวนนิวเคลียส - ไฮโดรเจน 92%, ฮีเลียม 8% และลิเธียมประมาณ 0.00000001% โดยมวล - ไฮโดรเจน 75-76%, ฮีเลียม 24-25% และลิเธียม 0.00000007% ในตอนแรกมีสองคำ: ไฮโดรเจนและฮีเลียม และนั่นอาจเรียกได้ว่าเป็นทั้งหมด

หลายแสนปีต่อมา จักรวาลเย็นลงเพียงพอที่อะตอมที่เป็นกลางจะก่อตัวขึ้น และหลายสิบล้านปีต่อมา การล่มสลายของแรงโน้มถ่วงทำให้ดาวฤกษ์ดวงแรกก่อตัวขึ้น ในเวลาเดียวกัน ปรากฏการณ์นิวเคลียร์ฟิวชันไม่เพียงแต่ทำให้จักรวาลเต็มไปด้วยแสงเท่านั้น แต่ยังทำให้ธาตุหนักก่อตัวขึ้นอีกด้วย

เมื่อดาวฤกษ์ดวงแรกเกิด ประมาณ 50 ถึง 100 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง ไฮโดรเจนจำนวนมากมายเริ่มหลอมรวมเป็นฮีเลียม แต่ที่สำคัญกว่านั้น ดาวฤกษ์ที่มีมวลมากที่สุด (มวลมากกว่าดวงอาทิตย์ของเรา 8 เท่า) เผาผลาญเชื้อเพลิงอย่างรวดเร็วมาก และเผาไหม้หมดภายในเวลาเพียงสองสามปี ทันทีที่แกนกลางของดาวฤกษ์ดังกล่าวหมดไฮโดรเจน แกนฮีเลียมก็หดตัวและเริ่มหลอมนิวเคลียสของอะตอมสามตัวให้เป็นคาร์บอน ต้องใช้ดาวฤกษ์มวลหนักจำนวนหนึ่งล้านล้านดวงในเอกภพยุคแรกๆ (ซึ่งก่อตัวดาวฤกษ์อีกหลายดวงในช่วงสองสามร้อยล้านปีแรก) กว่าลิเธียมจะถูกทำลาย

ตอนนี้คุณอาจกำลังคิดว่าคาร์บอนกลายเป็นองค์ประกอบหมายเลขสามในทุกวันนี้? คุณสามารถคิดเรื่องนี้ได้เพราะดวงดาวสังเคราะห์องค์ประกอบเป็นชั้นต่างๆ เช่น หัวหอม ฮีเลียมถูกสังเคราะห์เป็นคาร์บอน คาร์บอนเป็นออกซิเจน (ต่อมาและที่อุณหภูมิสูงกว่า) ออกซิเจนเป็นซิลิคอนและซัลเฟอร์ และซิลิคอนเป็นเหล็ก ที่ปลายโซ่ เหล็กไม่สามารถหลอมรวมเข้ากับสิ่งอื่นได้ ดังนั้นแกนกลางจึงระเบิดและดาวฤกษ์กลายเป็นซูเปอร์โนวา

• การจับนิวตรอนช้า (s-process) การจัดเรียงองค์ประกอบตามลำดับ
• การหลอมรวมนิวเคลียสของฮีเลียมกับธาตุหนัก (เพื่อสร้างนีออน แมกนีเซียม อาร์กอน แคลเซียม และอื่นๆ)
• การดักจับนิวตรอนเร็ว (r-process) ด้วยการก่อตัวขององค์ประกอบต่างๆ จนถึงยูเรเนียมและเกินกว่านั้น

แต่เรามีดาวฤกษ์มากกว่าหนึ่งรุ่น เรามีหลายรุ่น และรุ่นที่มีอยู่ในปัจจุบันไม่ได้สร้างขึ้นจากไฮโดรเจนบริสุทธิ์และฮีเลียมเป็นหลัก แต่ยังมาจากเศษที่เหลือจากรุ่นก่อน ๆ ด้วย นี่เป็นสิ่งสำคัญเพราะถ้าไม่มีดาวเคราะห์หิน เราก็จะไม่มีดาวเคราะห์ที่เป็นหิน มีเพียงก๊าซยักษ์ที่ทำจากไฮโดรเจนและฮีเลียมเท่านั้น

เป็นเวลากว่าพันล้านปี กระบวนการก่อตัวและความตายของดาวฤกษ์เกิดขึ้นซ้ำแล้วซ้ำอีก โดยมีองค์ประกอบที่สมบูรณ์มากขึ้นเรื่อยๆ แทนที่จะหลอมไฮโดรเจนให้เป็นฮีเลียม ดาวมวลมากจะหลอมไฮโดรเจนเข้าไป วงจร C-N-Oเมื่อเวลาผ่านไปจะทำให้ปริมาตรของคาร์บอนและออกซิเจนเท่ากัน (และไนโตรเจนน้อยลงเล็กน้อย)

นอกจากนี้ เมื่อดาวฤกษ์ผ่านการหลอมฮีเลียมเพื่อก่อตัวเป็นคาร์บอน มันค่อนข้างง่ายที่จะจับอะตอมฮีเลียมส่วนเกินเพื่อสร้างออกซิเจน (และยังเติมฮีเลียมอีกเข้าไปในออกซิเจนเพื่อสร้างนีออน) และแม้แต่ดวงอาทิตย์ของเราก็ยังทำเช่นนี้ในช่วงดาวยักษ์แดง เฟส

เมื่อเราดูซากซูเปอร์โนวาและเนบิวลาดาวเคราะห์ ซึ่งเป็นเศษของดาวมวลมากและดาวคล้ายดวงอาทิตย์ตามลำดับ เราพบว่าออกซิเจนมีจำนวนมากกว่าคาร์บอนในด้านมวลและปริมาณในแต่ละกรณี นอกจากนี้เรายังพบว่าไม่มีองค์ประกอบอื่นใดที่หนักเท่านี้

อนาคตจะเป็นอย่างไรสำหรับเรา?

จักรวาลกำลังเปลี่ยนแปลง ออกซิเจนเป็นองค์ประกอบที่มีมากเป็นอันดับสามในจักรวาลสมัยใหม่ และอาจสูงกว่าไฮโดรเจนในอนาคตอันแสนไกล ทุกครั้งที่คุณสูดอากาศและรู้สึกพอใจกับกระบวนการนี้ จำไว้ว่า: ดวงดาวเป็นเพียงเหตุผลเดียวที่ทำให้ออกซิเจนมีอยู่

มอสโก 6 กุมภาพันธ์ - RIA Novostiนักเคมีชาวรัสเซียและต่างประเทศอ้างความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของสารประกอบเสถียรสองชนิดที่เป็นธาตุที่ "เกลียดกลัวชาวต่างชาติ" มากที่สุด นั่นก็คือฮีเลียม และได้ยืนยันการทดลองว่ามีหนึ่งในนั้นคือโซเดียมเฮไลด์ ตามบทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Chemistry

"การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าปรากฏการณ์ที่ไม่คาดคิดโดยสิ้นเชิงสามารถค้นพบได้อย่างไรโดยใช้วิธีทางทฤษฎีและการทดลองล่าสุด งานของเราแสดงให้เห็นอีกครั้งว่าเรารู้เพียงเล็กน้อยเพียงใดเกี่ยวกับอิทธิพลของสภาวะที่รุนแรงต่อเคมี และบทบาทของปรากฏการณ์ดังกล่าวต่อกระบวนการต่างๆ ภายในดาวเคราะห์ยังคงมีอยู่ ได้รับการอธิบาย” Artem Oganov ศาสตราจารย์ที่ Skoltech และ Moscow Phystech ใน Dolgoprudny กล่าว

ความลับของก๊าซมีตระกูล

สสารดึกดำบรรพ์ของจักรวาลซึ่งเกิดขึ้นหลายร้อยล้านปีหลังจากบิ๊กแบงประกอบด้วยองค์ประกอบเพียงสามองค์ประกอบเท่านั้น ได้แก่ ไฮโดรเจน ฮีเลียม และลิเธียมในปริมาณเล็กน้อย ฮีเลียมยังคงเป็นองค์ประกอบที่พบมากเป็นอันดับสามในจักรวาล แต่พบได้ในปริมาณที่น้อยมากบนโลก และปริมาณสำรองฮีเลียมบนโลกก็ลดลงอย่างต่อเนื่องเนื่องจากการระเหยไปในอวกาศ

คุณลักษณะที่โดดเด่นของฮีเลียมและองค์ประกอบอื่น ๆ ของกลุ่มที่แปดของตารางธาตุซึ่งนักวิทยาศาสตร์เรียกว่า "ก๊าซมีตระกูล" คือพวกมันไม่เต็มใจอย่างยิ่ง - ในกรณีของซีนอนและองค์ประกอบหนักอื่น ๆ - หรือโดยหลักการแล้วเช่นนีออน ไม่สามารถเกิดปฏิกิริยาเคมีได้ มีสารประกอบซีนอนและคริปทอนเพียงไม่กี่สิบชนิดที่มีฟลูออรีน ออกซิเจน และสารออกซิไดซ์ที่แรงอื่นๆ สารประกอบที่เป็นศูนย์ของนีออนและสารประกอบฮีเลียมหนึ่งตัว ค้นพบโดยการทดลองในปี พ.ศ. 2468

สารประกอบนี้ซึ่งเป็นการรวมกันของโปรตอนและฮีเลียมไม่ใช่สารประกอบทางเคมีที่แท้จริงในความหมายที่เข้มงวดของคำว่า - ฮีเลียมในกรณีนี้ไม่มีส่วนร่วมในการก่อตัวของพันธะเคมีแม้ว่าจะส่งผลต่อพฤติกรรมของอะตอมไฮโดรเจนที่ปราศจาก อิเล็กตรอน. ดังที่นักเคมีสันนิษฐานไว้ก่อนว่า “โมเลกุล” ของสสารนี้น่าจะพบได้ในสื่อระหว่างดวงดาว แต่ตลอด 90 ปีที่ผ่านมา นักดาราศาสตร์ยังไม่ได้ค้นพบพวกมัน สาเหตุที่เป็นไปได้ก็คือไอออนนี้ไม่เสถียรอย่างยิ่งและถูกทำลายเมื่อสัมผัสกับโมเลกุลอื่นๆ เกือบทุกชนิด

Artem Oganov และทีมงานของเขาสงสัยว่าสารประกอบฮีเลียมสามารถดำรงอยู่ได้หรือไม่ภายใต้สภาวะแปลกใหม่ที่นักเคมีภาคพื้นดินไม่ค่อยนึกถึง - ที่ความดันและอุณหภูมิสูงเป็นพิเศษ Oganov และเพื่อนร่วมงานของเขาได้ศึกษาเคมีที่ "แปลกใหม่" ดังกล่าวมาระยะหนึ่งแล้วและยังได้พัฒนาอัลกอริธึมพิเศษสำหรับการค้นหาสารที่มีอยู่ในสภาวะดังกล่าว ด้วยความช่วยเหลือ พวกเขาค้นพบว่าในส่วนลึกของก๊าซยักษ์และดาวเคราะห์ดวงอื่นๆ อาจมีกรดออร์โธคาร์บอนิกที่แปลกใหม่ เกลือแกงธรรมดาที่ "เป็นไปไม่ได้" และสารประกอบอื่นๆ อีกจำนวนหนึ่งที่ "ละเมิด" กฎของเคมีคลาสสิก

นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียและชาวต่างประเทศของ USPEX ค้นพบว่าที่ความดันสูงเป็นพิเศษซึ่งเกินความดันบรรยากาศถึง 150,000 ล้านเท่าโดยใช้ระบบเดียวกัน มีสารประกอบฮีเลียมที่เสถียรสองชนิด ได้แก่ โซเดียมเฮไลด์และโซเดียมออกซีเจไลด์ สารประกอบแรกประกอบด้วยโซเดียม 2 อะตอมและฮีเลียม 1 อะตอม และสารประกอบที่สองประกอบด้วยออกซิเจน ฮีเลียม และโซเดียม 2 อะตอม

อะตอมบนทั่งเพชร

แรงกดดันทั้งสองนี้สามารถหาได้ง่ายโดยใช้ทั่งเพชรสมัยใหม่ ซึ่งเป็นสิ่งที่เพื่อนร่วมงานของ Oganov ทำภายใต้การนำของ Alexander Goncharov ชาวรัสเซียอีกคนจากห้องปฏิบัติการธรณีฟิสิกส์ในวอชิงตัน การทดลองของเขาแสดงให้เห็นว่าโซเดียมเฮไลด์ก่อตัวที่ความดันประมาณ 1.1 ล้านบรรยากาศและคงความเสถียรได้มากถึงอย่างน้อย 10 ล้านบรรยากาศ

สิ่งที่น่าสนใจคือ โซเดียมเฮไลด์มีโครงสร้างและคุณสมบัติคล้ายคลึงกับเกลือฟลูออรีน ซึ่งเป็น "เพื่อนบ้าน" ของฮีเลียมในตารางธาตุ อะตอมฮีเลียมแต่ละอะตอมใน "เกลือ" นี้ล้อมรอบด้วยอะตอมโซเดียม 8 อะตอม ซึ่งคล้ายกับโครงสร้างของแคลเซียมฟลูออไรด์หรือเกลือกรดไฮโดรฟลูออริกอื่นๆ อิเล็กตรอนใน Na2He ถูก "ดึงดูด" ไปยังอะตอมอย่างแรงจนสารประกอบนี้เป็นฉนวนซึ่งแตกต่างจากโซเดียม นักวิทยาศาสตร์เรียกโครงสร้างดังกล่าวว่าผลึกไอออนิก เนื่องจากอิเล็กตรอนมีบทบาทและตำแหน่งของไอออนที่มีประจุลบอยู่ในนั้น

“สารประกอบที่เราค้นพบนั้นค่อนข้างผิดปกติ แม้ว่าอะตอมของฮีเลียมไม่ได้มีส่วนร่วมโดยตรงในพันธะเคมี แต่การมีอยู่ของพวกมันจะเปลี่ยนปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างอะตอมของโซเดียมโดยพื้นฐาน ส่งเสริมการแปลเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่แข็งแกร่ง ซึ่งทำให้วัสดุที่ได้นั้นเป็นฉนวน” Xiao Dong อธิบาย จากมหาวิทยาลัย Nankan ในเมืองเทียนจิน (ประเทศจีน)

สารประกอบอีกชนิดหนึ่งคือ Na2HeO มีความเสถียรในช่วงความดันตั้งแต่ 0.15 ถึง 1.1 ล้านบรรยากาศ สารนี้ยังเป็นผลึกไอออนิกและมีโครงสร้างคล้ายกับ Na2He มีเพียงบทบาทของไอออนที่มีประจุลบในนั้นเท่านั้นที่ไม่ได้เล่นโดยอิเล็กตรอน แต่โดยอะตอมออกซิเจน

สิ่งที่น่าสนใจคือโลหะอัลคาไลอื่นๆ ทั้งหมดที่มีปฏิกิริยาสูงกว่า ไม่ค่อยเต็มใจที่จะเกิดสารประกอบที่มีฮีเลียมที่ความดันสูงกว่าความดันบรรยากาศไม่เกิน 10 ล้านเท่า

Oganov และเพื่อนร่วมงานของเขาให้ความสำคัญกับความจริงที่ว่าวงโคจรที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในอะตอมของโพแทสเซียมรูบิเดียมและซีเซียมเปลี่ยนแปลงอย่างเห็นได้ชัดเมื่อความดันเพิ่มขึ้นซึ่งไม่เกิดขึ้นกับโซเดียมด้วยเหตุผลที่ยังไม่ชัดเจน นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าโซเดียมเฮไลด์และสารอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกันสามารถพบได้ในแกนกลางของดาวเคราะห์บางดวง ดาวแคระขาว และดาวฤกษ์อื่นๆ