研究解释大气层中氙气消失之谜

氙气做为惰性气体家族中的一员，在工业上广泛应用于电子、电光源等设备，比如汽车上常用的氙气大灯。但是自然界的氙气在大气层中几乎绝迹，与氩气和氪气等其它惰性气体相比，大气层中90%以上的氙气都不知所踪，这在科学上被称为“氙气的消失之谜”。

 

氙气究竟去哪了？寻找氙气的藏身之所，一直是科学界具有挑战性的课题之一。大多数科学家认为氙气应该隐藏在地球内部，比如氙气可能隐藏于地幔、地核等等。但是到目前为止，没有发现确切的证据支持氙气可以稳定存在于地球内部。

 

吉林大学的朱黎博士，刘寒雨博士，邹广田教授，和马琰铭教授与英国伦敦大学的Pickard教授合作，在“氙气的消失之谜”的研究上取得了突破性进展，发现地核可能是氙气的理想藏身之所。这一成果发表在2014年4月20日出版的《自然—化学》（Nature Chemistry） 期刊上。

 

氙气是否会储存在占据地球总质量三分之一的地核内部一直备受关注。由于地核的主要组成成分是铁和镍，如果氙气储存于地核中，就必须与铁或者镍在地核的压强和温度环境下（即360万大气压和6000 K）发生化学反应，形成稳定的化合物。1997年《科学》期刊[Science 277, 930 (1997)]发表了理论和实验合作论文，否定了氙气和铁发生反应的可能性。研究工作发表后的17年间，学界据此公认氙气不可能储存在地核内部。然而，《科学》文章的结论是建立在人为假定的铁-氙化合物的结构为基础，若假定的结构是错误的，氙气和铁不反应的结论就会被推翻。

 

马琰铭课题组自主发展了基于群智理论的CALYPSO结构预测方法和软件包（详见http://www.calypso.cn），此方法不依赖于已知结构信息，不需要人为假定就可以开展材料结构的智能搜索。利用CALYPSO方法，研究团队提出了全新的铁-氙化合物的结构形式（例如，三铁化氙XeFe3，图1），构筑了铁-氙化合物的高温-高压相图（图2），首次给出了氙气和铁在地核环境下发生化学反应的证据，提出了氙气被捕捉在地核内部的可能性。

 

常压条件下，氙气是典型的惰性气体，难以和其它元素反应形成化合物，而铁容易氧化失去电子，一般是带正电的还原剂。另人意想不到的是，高压下氙气不仅和铁发生了反应，而且电子从氙原子转移到了铁原子上，从而使铁成为了罕见的带负电的氧化剂。这种高压下非常规的电子转移现象，诱导了氙气与铁之间的化学反应。

 

研究工作发表后被《科学》杂志选为2014年4月25日发表的Editor’s choice （见Science 344， 340（2014）），被Chemistry World, Materials360, USA today, New Scientist, HUFF POST Science等国外多家科学媒体进行亮点报道。

 

研究工作得到了科技部973项目，国家自然科学基金委杰出青年基金、面上和重点基金的支持。（来源：吉林大学）

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