由于其化学惰性，氦一般不发生化学反应，因此通常是不溶于其它物质的。在大多数情况下，氦除了以间隙杂质原子的形式存在外，物质中由于某种原因而引入的氦通常会相互积聚在一起，形成球状的氦泡，或成层状分布在晶界附近。在特殊情况下，由于范德瓦尔斯相互作用，氦可以与某些分子（通常为极性或带电的）弱结合，形成团簇或吸附在物体表面。在高压下，由于范德瓦尔斯空间比较容易压缩，因此氦还可以与其它元素形成晶体。但由于缺乏明显的化学反应，氦在这类晶体中通常可视为一种包含物：氦只是以原子的形式存在在宿主物质中，它对宿主物质的晶格稳定性没有明显影响。

现在，我们可能发现了一种新的氦在物质中的存在形式：它仍然是一种无明显化学反应的包含物，但氦的存在及其存在形式对宿主结构有了决定性的影响。

我们通过理论研究，在一类重要的核材料——铀中发现了这一现象的可能性。作为一种自发裂变的产物，氦天然存在在金属铀中，通常是以氦泡的形式。然而，在遭受冲击等动态极端条件时，氦泡在剧烈的挤压下会被驱散而以原子的形式进入晶格内部。我们发现在高压下氦和铀这种原子级的混合会导致一类新的化合物——U6He和U4He。其中氦在U6He中以单原子层的形式插入到铀晶格中，而在U4He中却以原子对的形式（类似双原子分子）进入铀的晶格并占据一个格点。这还是首次发现氦以单原子层或以He2的形式存在（之前所有已知的氦化合物都是以单原子的形式存在）。从声子谱和力学弹性常数的角度，这两个氦化合物的结构都是稳定的，可以抵抗原子级的结构扰动。但出乎意料的是，我们发现宿主结构自身却是不稳的——如果把氦去除，铀的晶体结构自身立即崩溃解体。这与通常所知的氦化合物形成强烈反差，在那里氦的存在与否并不会影响宿主结构的稳定性。反观U6He和U4He，其中氦的存在对它们晶体结构的稳定性起到了支配性作用，这是非常意外的。理论上，这只有当该结构在能量上比较高时才有可能发生。确实，我们经计算确认这两个结构在能量上都并非基态，而是一种亚稳态。

然而有趣的是我们发现它们具有超乎寻常的热稳定性。利用加速分子动力学模拟对它们的势垒进行了预估，发现它们都具有较高的势垒，导致在室温下U4He晶体的寿命长达500多秒，而U6He的寿命甚至超过11年（作为比较，放射性物质氚的半衰期为12年）。这一时间尺度远远大于通常的动态冲击过程，因而可对含氦铀材料的动态力学行为产生影响。由于这种类型的氦的化合必然都是亚稳的，因此可将它们简称为亚稳氦。它们的发现对理解含氦材料的高压或动态特性可能有着深刻的影响。

图1. 氦在U4He（以He2的形式）和U6He（以单原子层的形式）晶体中的结构特征

延伸阅读：

(1) Y. Cao, H. Song, X. Yan, H. Wang, Y. Wang, F. Wu, L. Zhang, Q. Wu, Hua Y. Geng, Theoretical study of the structural and thermodynamic properties of U-He compounds under high pressure, Phys. Chem. Chem. Phys., 26, 19228 (2024). [https://doi.org/10.1039/D4CP02037E]