Chimie étrange : l'hélium peut former des composés stables à l'intérieur des planètes géantes

Jupiter

L'hélium inerte peut former des composés stables à l'intérieur de planètes géantes telles que Jupiter, vue ici par le vaisseau spatial Juno de la NASA le 27 août 2016. (Crédit image : NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS)



Au plus profond des planètes géantes, l'hélium peut former des composés stables avec d'autres éléments, selon une nouvelle étude – quelque chose que l'on a longtemps pensé ne jamais se produire dans la nature.



L'hélium est l'élément le plus répandu dans l'univers après l'hydrogène; il existe en abondance dans les étoiles et les géantes gazeuses. Cependant, alors que l'hydrogène réagit facilement avec d'autres éléments pour former des composés tels que l'eau, l'hélium fait partie d'un groupe d'éléments - connus sous le nom de gaz nobles - qui ne se lient pas facilement avec d'autres éléments.

Bien que l'hélium soit l'élément le plus chimiquement inerte connu, les scientifiques ont trouvé quelques cas dans lesquels il peut former des composés avec d'autres éléments. Pourtant, jusqu'à présent, tous les composés d'hélium connus étaient soit très instables, soit ceux où l'hélium et les autres éléments interagissaient à peine les uns avec les autres. [ Élément numéro deux : faits sur l'hélium ]



Maintenant, des expériences en laboratoire révèlent que, aux types de pressions élevées que l'on trouve dans les planètes géantes gazeuses, l'hélium peut former des composés stables avec le sodium.

'Une autre hypothèse traditionnelle - selon laquelle l'hélium ne forme pas de composés stables - est tombée', a déclaré Artem Oganov, co-auteur de l'étude, directeur du Center for Materials by Design de l'Université Stony Brook à New York et directeur de l'Institut de physique et de technologie de Moscou. Laboratoire de découverte des matériaux.

Des recherches antérieures suggéraient que « les règles de la chimie classique s'effondrent au haute pression ', a déclaré Oganov. L'auteur principal de cette étude, Xiao Dong, de l'Université Nankai de Tianjin, en Chine, et ses collègues pour déterminer s'il était possible ' d'enfreindre une autre règle et de découvrir des composés stables de l'élément le moins réactif - l'hélium ', a déclaré Oganov à demokratija.eu.



L'équipe de recherche internationale a recherché des composés d'hélium stables en effectuant des calculs sur deux supercalculateurs . Ces machines comprenaient Tianhe II à Guangzhou, en Chine, qui est actuellement classé comme le deuxième supercalculateur le plus puissant au monde.

Leurs résultats ont prédit deux composés d'hélium stables. L'un est Na₂He, qui se compose d'un atome d'hélium et de deux atomes de sodium, tandis que l'autre est Na₂He O, qui se compose d'un atome d'hélium, de deux atomes de sodium et d'un atome d'oxygène.

Dans des expériences, les scientifiques ont réussi à synthétiser Na₂He en serrant ses composants entre deux diamants à des pressions d'environ 1,1 million de fois la pression atmosphérique de la Terre. Les calculs de l'équipe prédisent que le composé s'avérera stable à au moins jusqu'à 10 millions de fois cette pression.



Structure cristalline de Na₂He, qui ressemble à un damier 3D. Les sphères violettes représentent les atomes de sodium, qui sont à l

Structure cristalline de Na₂He, qui ressemble à un damier 3D. Les sphères violettes représentent les atomes de sodium, qui sont à l'intérieur des cubes verts qui représentent les atomes d'hélium. Les régions rouges à l'intérieur des vides de la structure montrent des zones où résident des paires d'électrons localisées.(Crédit image : Artem R. Oganov.)

'Ce travail donne un triomphe spectaculaire de la théorie', a déclaré Oganov. 'Ce composé très surprenant a d'abord été prédit par la théorie, puis fabriqué expérimentalement.'

Les atomes d'hélium ne forment en fait aucune liaison chimique avec les atomes de sodium. Pourtant, la présence des atomes d'hélium modifie fondamentalement les interactions chimiques entre les atomes de sodium, forçant les électrons à s'apparier, malgré leur tendance naturelle à se repousser.

'Il s'agit d'un nouveau type de composé très étrange, dans lequel les atomes d'hélium modifient considérablement la façon dont les atomes de sodium interagissent les uns avec les autres', a déclaré Oganov.

Pour imaginer à quoi ressemble Na₂He, imaginez un damier 3D de cubes noirs et blancs. Au centre des cubes noirs se trouvent des atomes d'hélium, au centre des cubes blancs se trouvent des paires d'électrons et aux coins de tous les cubes se trouvent des atomes de sodium.

Les calculs suggèrent que l'autre composé d'hélium prédit, Na₂He O, serait stable de 0,15 à 1,1 million de fois La pression atmosphérique de la Terre . Sa structure devrait être similaire à celle du Na₂He, mais à la place des paires d'électrons, il aurait des atomes d'oxygène.

Ces découvertes pourraient 'avoir des implications pour les planètes et peut-être aussi pour les étoiles', a déclaré Oganov. Bien qu'il reste incertain quels effets pourraient avoir de tels composés d'hélium, les chercheurs ne peuvent plus supposer que l'hélium est simplement inerte, a-t-il déclaré.

Les scientifiques ont détaillé leurs découvertes en ligne le 6 février dans le journal Chimie de la nature .

Suivez Charles Q. Choi sur Twitter @cqchoi . Suivez-nous @Spacedotcom , Facebook et Google+ . Publié à l'origine le Edemokratija.eu .