Helium, het op een na lichtste element in het universum, heeft verschillende toepassingen, van het drijvend houden van ballonnen tot het koelen van supergeleidende magneten.

Het is ook een edelgas - zo gelabeld omdat het lang werd beschouwd als "te afstandelijk" om te reageren met de andere elementen op het periodiek systeem.

Nutsvoorzieningen, echter, een team van wetenschappers onder leiding van de California State University, Northridge (CSUN) chemieprofessor Maosheng Miao, en met inbegrip van de scheikundeprofessor Eva Zurek van de Universiteit van Buffalo, heeft een theoretische verklaring gegeven van hoe helium in staat kan zijn om stabiele vaste verbindingen te vormen - de talloze combinaties van chemische elementen die allerlei soorten materialen creëren.

Het onderzoek suggereert ook dat het gas - waarvan de voorraad op aarde is afgenomen - te vinden is in de aardmantel, een plaats die ooit als onwaarschijnlijk werd beschouwd, omdat er geen bekende chemie was om helium daar te houden.

De nieuwe studie, "Reactiviteit van He met ionische verbindingen onder hoge druk, " werd op 5 maart gepubliceerd in Natuurcommunicatie . Het werk is geïnspireerd op een onderzoek uit 2017 waarin een ander onderzoeksteam rapporteerde dat het een stabiele verbinding uit helium en natrium synthetiseerde, een element in keukenzout, onder hoge druk.

Hoewel die reactie werd bewezen door experimenten, Miao zei, "we begrepen niet waarom het kon gebeuren. Nu wel. Helium is een goede 'oppas'."

"We stellen voor dat er een algemene drijvende kracht is voor helium om te reageren met ionische verbindingen zodra deze verbindingen ongelijke aantallen negatief geladen en positief geladen ionen hebben, " zei Miao, doctoraat "Als resultaat, het stabiliseert wat normaal een onstabiele situatie zou zijn, een beetje zoals een oppas bemiddelt als je kinderen niet met elkaar overweg kunnen."

"Het onderzoek is fundamenteel interessant omdat helium altijd als niet-reactief werd beschouwd - het element dat nergens mee reageert, " zei co-auteur Zurek, doctoraat, een chemieprofessor aan het UB College of Arts and Sciences. "Ons onderzoek illustreert een nieuw mechanisme waarom helium zou kunnen reageren met andere chemische soorten om verbindingen onder druk te vormen. Bovendien, we voorspelden nieuwe sets van verbindingen die ook zouden kunnen reageren met helium onder druk die niet werden bestudeerd in het oorspronkelijke werk."

Naast Miao en Zurek, het team omvatte gastwetenschappers Zhen Liu en Jorge Botana van CSUN (postdocs in het Beijing Computational Science Research Center in China); natuurkunde professor Andreas Hermann, doctoraat, van de Universiteit van Edinburgh in het Verenigd Koninkrijk; CSUN scheikunde student Steven Valdez; natuurkunde professor Dadong Yan, doctoraat, van de Beijing Normal University in China; en natuurkundeprofessor Hai-qing Lin, doctoraat, directeur van het Beijing Computational Science Research Center.

Helium's 'oppas'-rol

Ionen zijn atomen of moleculen met een elektrische lading. In sommige stabiele chemische verbindingen, één negatief geladen ion compenseert één positief geladen ion. (Een voorbeeld hiervan is keukenzout, bestaande uit positief geladen natrium- en negatief geladen chloorionen).

Maar wanneer verbindingen ongelijke aantallen negatief en positief geladen ionen bevatten, afstoting tussen atomen met dezelfde lading kan ertoe leiden dat de structuur onstabiel wordt onder druk.

Dat is waar helium binnenkomt. "Het is een beetje zoals de oppas, ' zei Miao.

"De chemische elementen komen samen om een ​​verbinding te vormen, een soort familie, "legde hij uit. "Maar, zoals in elk gezin, niet iedereen kan met elkaar overweg - in dit geval omdat je ofwel te veel negatieve of positieve ionen hebt.

"Nutsvoorzieningen, we gaan druk uitoefenen om deze verbinding te laten werken, wat hetzelfde is als deze familie, deze verbinding, in een zeer kleine auto, "Vervolgde Miao. "Je weet wat er gebeurt als je je kinderen dwingt om samen op de achterbank van een kleine auto te zitten, soms kunnen ze niet met elkaar overweg - er wordt gekibbeld en geduwd. We zullen, helium is de oppas in de auto van deze chemische verbinding. Het zit tussen de kinderen om hen te helpen met elkaar opschieten, maar het maakt echt geen deel uit van de familie."

In het geval van chemische verbindingen, Miao legde uit, helium vormt geen enkele chemische binding met zijn naburige atomen. In plaats daarvan, het voegt zichzelf toe tussen de elementen van de verbinding om ze stabiel te houden.

Het nieuwe onderzoek legt de basis voor toekomstige studie van heliumverbindingen door aanvullende verbindingen te voorspellen die stabiel zouden zijn onder druk, zoals een verbinding bestaande uit magnesiumfluoride en een heliumatoom, en een andere bestaande uit calciumfluoride en een heliumatoom.

Meer helium op aarde?

Door de lichtheid en het uitgebreide gebruik van helium raakt de aardse voorraad van het element langzaam op.

Miao zei dat als de theorie van zijn team waar blijkt te zijn:"Ik geloof van wel, en het is gedeeltelijk bewezen" - het zou niet alleen nieuwe inzichten kunnen opleveren in de rol die helium speelt in chemische verbindingen, maar geeft ook aanwijzingen waar er meer van te vinden is.

"Ons werk onthult dat helium de neiging heeft om te reageren met een breed scala aan ionische verbindingen bij zelfs lage drukken, wat inhoudt dat er misschien veel meer van op de aarde is dan we beseffen, " zei hij. "Omdat de meeste mineralen van de aarde ongelijke aantallen positief en negatief geladen ionen bevatten, ons werk suggereert dat grote hoeveelheden helium in de aardmantel kunnen worden opgeslagen."