新研究發現氦可在高溫高壓下與鐵結合

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作者  Emma stein｜發布日期  2025年02月27日  16：42

氦是惰性元素，即它幾乎不與任何物質發生化學反應或形成化合物，然而中央大學與日本東京大學、北海道大學團隊合作的新研究發現，氦在高溫高壓下可與熔融鐵反應形成數種穩定化合物。該結果或進一步提供地核內可能貯藏宇宙大爆炸後產生之氦-3（氦同位素）元素證據。

東京大學研究團隊將包含鐵、氦的樣品置入鑽石高壓砧加壓並以雷射加熱，製出高溫高壓環境（最高達54GPa、2820K），接著以同步輻射X光繞射分析，發現樣品鐵的晶格體積明顯比相同溫壓下純鐵樣品的鐵晶格體積更大。

研究人員認為，體積擴張現象可以合理推斷是氦原子進入鐵晶格所致，北海道大學二次離子質譜分析也顯示氦原子分布在樣品的鐵晶格中。

中央大學徐翰教授接著以理論計算驗證鐵氦化合物之動力穩定性（dynamical stability），揭示其原子結構、磁性態、及鐵氦化學鍵結機制。

這項研究除了與物理化學領域相關，也延伸至地球科學領域。我們知道宇宙大爆炸後產生大量氦-3，然而氦-3（氦-4的同位素）在如今地表非常稀少，地球科學理論認為氦-3在地球形成時被留在地球內部，近期也有地球化學分析顯示地球深部噴發形成之火成岩樣品中，氦-3含量高達地表60多倍，來源可能是地核，而地核主成份正是金屬鐵。

新研究可說為地核貯藏氦-3的理論提供相關證據，表明地球核心可能存在大量氦氣，同時代表其他行星內部金屬鐵核也可能貯藏氦-3，挑戰有關行星內部結構與歷史長期觀點，甚至揭示凝聚太陽系的星雲細節。

依據相同物理及化學原理，我們將能藉此探索宇宙其他行星的結構、性質、演化、甚至適居性。

新論文發表在《物理評論通訊》（Physical Review Letters）。