Helium, det näst lättaste elementet i universum, har en mängd olika användningsområden, från att hålla ballonger flytande till att kyla supraledande magneter.

Det är också en ädelgas - så märkt eftersom den länge ansågs vara "för distanserad" för att reagera med de andra grundämnena i det periodiska systemet.

Nu, dock, ett team av forskare ledda av California State University, Northridge (CSUN) kemiprofessor Maosheng Miao, och inklusive University at Buffalo kemiprofessor Eva Zurek, har gett en teoretisk förklaring av hur helium kan vara kapabel att bilda stabila fasta föreningar - de otaliga kombinationerna av kemiska element som skapar alla typer av material.

Forskningen tyder också på att gasen - vars tillgång på jorden har minskat - kan finnas i jordens mantel, en plats som en gång ansågs osannolik eftersom det inte fanns någon känd kemi för att hålla helium där.

Den nya studien, "Reaktivitet av He med joniska föreningar under högt tryck, " publicerades den 5 mars i Naturkommunikation . Arbetet var inspirerat av en studie från 2017 där ett annat forskarlag rapporterade att de syntetiserade en stabil förening från helium och natrium, ett element i bordssalt, under högt tryck.

Även om den reaktionen bevisades genom experiment, Miao sa, "vi förstod inte varför det kunde hända. Nu gör vi det. Helium är en bra "barnflicka."

"Vi föreslår att det finns en allmän drivkraft för helium att reagera med joniska föreningar så snart dessa föreningar har olika antal negativt laddade och positivt laddade joner, sa Miao, Ph.D. "Som ett resultat, det stabiliserar vad som normalt skulle vara en instabil situation, på ett sätt som en barnflicka medlar när dina barn inte kommer överens."

"Forskningen är i grunden intressant eftersom helium alltid ansågs vara oreaktivt - grundämnet som inte reagerar med någonting, " sa studiens medförfattare Zurek, Ph.D., en kemiprofessor vid UB College of Arts and Sciences. "Vår forskning illustrerar en ny mekanism för varför helium kan reagera med andra kemiska arter för att bilda föreningar under tryck. Dessutom, vi förutspådde nya uppsättningar av föreningar som också kan reagera med helium under tryck som inte studerades i det ursprungliga arbetet."

Förutom Miao och Zurek, teamet inkluderade gästforskare Zhen Liu och Jorge Botana från CSUN (postdoktorer vid Beijing Computational Science Research Center i Kina); fysikprofessor Andreas Hermann, Ph.D., vid University of Edinburgh i Storbritannien; CSUN kemi undergraduate Steven Valdez; fysikprofessor Dadong Yan, Ph.D., vid Beijing Normal University i Kina; och fysikprofessor Hai-qing Lin, Ph.D., chef för Beijing Computational Science Research Center.

Heliums roll som barnskötare

Joner är atomer eller molekyler med en elektrisk laddning. I vissa stabila kemiska föreningar, en negativt laddad jon balanserar ut en positivt laddad jon. (Ett exempel på detta är bordssalt, består av positivt laddat natrium och negativt laddade klorjoner).

Men när föreningar innehåller olika antal negativt och positivt laddade joner, repulsion mellan atomer med samma laddning kan driva strukturen att bli instabil under tryck.

Det är där helium kommer in. "Det är ungefär som barnskötaren, " sa Miao.

"De kemiska elementen går samman för att bilda en förening, ungefär som en familj, " förklarade han. "Men, som i vilken familj som helst, alla kommer inte överens — i det här fallet för att du antingen har för många negativa eller positiva joner.

"Nu, vi kommer att utöva press för att få den här föreningen att fungera, vilket är som att sätta den här familjen, denna förening, in i en mycket liten bil, " fortsatte Miao. "Du vet vad som händer när du tvingar dina barn att sitta tillsammans i baksätet i en liten bil, ibland kommer de inte överens – det bråkas och knuffas. Väl, helium är barnskötaren i denna kemiska förenings bil. Den sitter mellan barnen för att hjälpa dem komma överens, men det är verkligen inte en del av familjen."

När det gäller kemiska föreningar, Miao förklarade, helium bildar inte någon form av kemisk bindning med sina närliggande atomer. Istället, den sätter in sig själv mellan föreningens element för att hålla dem stabila.

Den nya forskningen lägger grunden för framtida studier av heliumföreningar genom att förutsäga ytterligare föreningar som skulle vara stabila under tryck, såsom en förening bestående av magnesiumfluorid och en heliumatom, och en annan bestående av kalciumfluorid och en heliumatom.

Mer helium på jorden?

Heliums lätthet och omfattande användning gör att jordens försörjning av elementet sakta håller på att tömmas.

Miao sa om hans teams teori visar sig sann - "Jag tror att det kommer, och det har delvis bevisats" - det kunde inte bara ge nya insikter om vilken roll helium spelar i kemiska föreningar, men ger också ledtrådar till var mer av det kan hittas.

"Vårt arbete avslöjar att helium har en benägenhet att reagera med ett brett spektrum av joniska föreningar även vid låga tryck, vilket innebär att det kan finnas mycket mer av det på jorden än vi inser, ", sa han. "Eftersom de flesta av jordens mineraler innehåller olika antal positivt och negativt laddade joner, vårt arbete tyder på att stora mängder helium kan lagras i jordens mantel."