【國際重點學院/領域】中央大學跨國研究：氦與鐵可在高溫高壓下形成化合物

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氦是惰性元素，其廣為人知的特性是：幾乎不與任何物質發生化學反應或形成化合物。近期，在國科會計畫支持下，中央大學物理系徐翰教授進行理論計算，與東京大學廣瀨敬教授之實驗團隊共同合作，發現在高溫高壓下，氦可與熔融鐵反應，並進一步形成數種穩定化合物。此項研究，也為地球科學理論提供證據：地核內貯藏了宇宙初始大爆炸後產生之氦-3（氦同位素）。此項成果，發表於頂級期刊《物理評論通訊》(Physical Review Letters)，獲選為編輯推薦文章 (Editors’ suggestion)，並在美國物理學會 (American Physical Society) 發行之《物理雜誌》(Physics Magazine) 獲專文介紹。此外，美國物理學會、東京大學及北海道大學也發布新聞稿，同時公開此項跨領域研究成果。東京大學研究團隊將包含鐵及氦之樣品置入鑽石高壓砧加壓，並以雷射加熱，製造高溫高壓環境 (最高達54 GPa，2820 K)。藉由同步輻射X光繞射分析，研究團隊發現：高溫高壓下之鐵氦樣品中，鐵的晶格體積，比起相同溫壓下純鐵樣品中之鐵晶格體積，顯著增大。此一體積擴張，合理推斷是氦原子進入鐵晶格所導致。北海道大學之二次離子質譜分析，也顯示氦原子分布在樣品之鐵晶格當中。中央大學徐翰教授則以理論計算，驗證鐵氦化合物之動力穩定性 (dynamical stability)，並揭示其原子結構、磁性態、以及鐵氦化學鍵結機制。此項研究之影響，延伸至一般認定之物理及化學領域以外，擴及地球科學領域。宇宙初始大爆炸之後，產生大量氦-3，但氦-3在今日地表非常稀少，是地表較常見氦-4之同位素。地球科學理論中，認為氦-3可在地球形成時被保留在地球內部。近期，也有地球化學分析顯示，由地球深部噴發形成之火成岩樣品內，氦-3含量高達地表之六十多倍，其來源可能是地核，而地核主成份正是金屬鐵。中央大學此項跨國研究，為地核貯藏氦-3之理論提供了證據，也表示其他行星內部金屬鐵核可能貯藏氦-3。徐翰教授進一步指出：物理、化學、及地球科學之跨領域研究，能讓我們從原子分子尺度的觀點瞭解自身居住的星球；依據相同的物理及化學原理，我們也能探索宇宙當中其他行星之結構、性質、演化、甚至適居性。相關連結《物理評論通訊》論文：Formation of Fe-He Compounds under High Pressure https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.084101 《物理雜誌》專文 https://physics.aps.org/articles/v18/s22 東京大學新聞稿 https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00389.html 徐翰教授網頁 https://sites.google.com/site/hanhsuphys/（資料來源：https://ncusec.ncu.edu.tw/news/headlines_content.php?H_ID=4412）

左：實驗使用之鑽石高壓砧。東京大學廣瀨敬教授團隊提供。右上：數種穩定鐵氦化合物其中一種之原子結構。中央大學徐翰教授提供。右下：電子局部函數 (electron localization function)，可用以分析化學鍵結。中央大學徐翰教授提供。

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