氦气，最惰性的稀有气体，长期以来被认为完全惰性，因此过于冷淡而无法与其他原子结合。但最近，化学家们惊讶地发现它竟然可以形成化学化合物。
去年，科学家们报告说，他们制造出了由钠原子和氦原子组成的晶体化合物，但无法理解它们是如何形成的。现在，一个由研究人员组成的新团队提出了一个解释：氦气能够在不形成任何化学键的情况下与其他原子结合——也就是说，不共享或交换任何电子。 这种元素通过屏蔽带正电的原子来做到这一点，充当它们之间排斥电荷的缓冲。 “他们提出了一个解释，我喜欢这个解释，”俄罗斯斯科尔科沃科学技术研究所的化学家，也是最初发现氦化合物的团队负责人阿特姆·奥加诺夫（Artem Oganov）说。“这个模型具有预测性，并且可以解释我们目前为止的所有观察结果。”
这些化合物令人震惊，因为科学家们一直认为氦气极不可能与其他原子结合。 这是因为氦原子不愿意放弃它的两个电子，这两个电子完美地填充了它唯一的电子壳层。每个原子都有这样的壳层，它们容纳特定数量的电子，并在原子核周围构建这些带负电的粒子。原子更喜欢它们的壳层完全填满，并且会与其他可以吸收或释放一个或两个额外粒子的原子结合以填满壳层。 那些壳层已经填满且没有电子可借出的元素被称为稀有气体——而氦气是其中最小的，被认为是惰性最强的。“然后，去年出现了这项精彩的工作，”加州州立大学北岭分校的化学家，提出新解释的团队负责人马盛苗（Maosheng Miao）说。 苗的硕士研究生刘震（Zhen Liu）是这篇论文的第一作者，该论文于3月5日发表在《自然通讯》杂志上。“他们发现，如果你将钠和氦气放在一起并将它们压缩到地球中心那样的压力下，钠实际上可以与氦气反应并形成稳定的化合物。” 起初，一些科学家认为氦气可能毕竟在共享电子。 但是苗的团队提出了另一种解释：也许氦气没有释放或接收任何电子，但仍然以某种方式与钠结合。
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足够高的压力可以将一组钠原子压碎到每个原子上的额外电子被挤出的程度，从而将所有原子变成带正电的离子。 然后，每个离子都会排斥所有相邻的离子，因为同性电荷会相互排斥。 苗和他的同事们推断，如果氦原子可以进入并位于钠离子之间，正电荷之间的距离将会增加——并且排斥能量将会减少，从而使材料稳定。“我认为这是第一次没有涉及化学键，但仍然可以形成稳定的化合物，”苗说。“非常聪明的工作，”康奈尔大学的化学家罗尔德·霍夫曼（Roald Hoffmann）说，他没有参与这项研究。
基于他们的假设，苗的团队使用控制每个原子的量子力学定律进行了详尽的计算机计算，并发现确实应该存在这样的化合物。“这个想法在计算中被证明是正确的，这令人兴奋，”纽约州立大学布法罗分校的化学家伊娃·祖瑞克（Eva Zurek）说，她是该团队的成员。“我们还可以预测以前没有研究过的新化合物。” 科学家们希望实验人员尝试制造新化合物，其中包括氦气与氟化镁和氟化钙的组合。
这项发现也可能对人们认为存在于地球深处的元素的组成产生影响。 科学家们曾认为氦气缺乏与其他元素结合的方式，因此不可能被锁在地球岩石中。“现在越来越清楚的是，这是一个严重的过度简化，”奥加诺夫说。“即使是氦气，所有气体中最惰性的气体，实际上也没有我们想象的那么惰性。它实际上可以形成稳定的化合物并保留在地幔中。”
未来，化学家们希望找到更通用的规则来预测何时会出现这种不寻常的分子，因为在高压下，许多正常的化学定律不再适用。“这是一种奇怪的化学键合，”德国亚琛工业大学的理查德·德隆斯科夫斯基（Richard Dronskowski）说，他是发现钠-氦组合的团队的合作者。“如果你仔细考虑一下，一切都完全合理，但你一开始不会想到它。这太迷人了。”