In der Schule lernt man gemeinhin, dass Edelgase unter normalen Umständen keine Bindungen eingehen, weil sie keine freien Valenzelektronen haben. Doch das stimmt so nicht. Hinter dieser Vereinfachung verbirgt sich eine Vielfalt exotischer Edelgasverbindungen – besonders des Xenons, wie das sogar in Wasser stabile Xenondifluorid. Helium allerdings ist der Exot unter den Exoten – selbst Fluor ist nicht aggressiv genug, ihm dauerhaft Elektronen zu entreißen und so eine Bindung möglich zu machen. Vom kleinsten Edelgas gab es bisher nur Einschlussverbindungen in Silikaten, kuriose Kondensate, kurzlebige Konstrukte in überschallschnellen Gasstrahlen und so genannte Van-der-Waals-Verbindungen, die bei hohen Drücken durch schwache zwischenmolekulare Kräfte zusammengehalten werden.

2013 jedoch berichtete ein internationales Wissenschaftlerteam um Artem Oganov von der Stony Brook University in New York in einer Vorabveröffentlichung über eine unerwartete Ausnahme von diesem Muster: Bei Drücken über 113 Gigapascal, wie sie in der Natur nur im Inneren von Himmelskörpern herrschen, finden sich Natrium und Helium zu einem neuen Kristall zusammen. Darauf deuten nach seinen Angaben nicht nur Computerberechnungen, sondern auch experimentelle Daten hin. Der Befund ist so ungewöhnlich, dass die tatsächliche Veröffentlichung beinahe drei Jahre dauerte. Die von hoffentlich unabhängigen Gutachtern geprüfte Publikation erschien jetzt in der Fachzeitschrift "Nature Chemistry". Helium ist einer der wichtigsten Bestandteile von Gasplaneten, so dass dieser Stoff im Inneren solcher Himmelskörper womöglich häufig vorkommt und messbare Auswirkungen hat.

Ausschnitt aus der Struktur von Na<sub>2He
© Ivan Popov / Utah State University
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernStruktur von Na2He
In dem Kristall bilden die Natriumatome ein Gitter, in dessen Zwischenräumen sich abwechselnd Heliumatome (weiß) und Elektronenpaare (gelb) anordnen. Die Elektronenpaare gehören dabei zu allen umgebenden Natriumatomen – sie bilden Mehrzentrenbindungen.

Das Material zeichnet sich, so sich seine Existenz in weiteren Versuchen bestätigt, gegenüber bisherigen Heliumverbindungen bei extremen Drücken dadurch aus, dass sich bei seiner Entstehung eine Elektronenpaarbindung neu bildet – und die ist extrem ungewöhnlich. Die zwei überzähligen Elektronen des Natriums finden sich zu Elektronenpaaren zusammen, die acht würfelförmig angeordnete Natriumatome gleichzeitig aneinanderbinden, eine so genannte Acht-Zentren-zwei-Elektronen-Bindung. Solche Mehrzentrenbindungen findet man zum Beispiel beim Element Bor, normalerweise sind dabei jedoch nur drei Atome beteiligt. Helium ist zwar kein direkter Bestandteil der neuen Bindung, erzwingt sie aber durch seine Anwesenheit.

Die Arbeitsgruppe suchte zuerst im Computer systematisch nach theoretisch möglichen Heliumverbindungen mit einer großen Zahl unterschiedlicher Elemente – und wurde beim Natrium fündig. Nach ihren Berechnungen reagieren die beiden Elemente oberhalb von 160 Gigapascal zu Na2He. In ihren Experimenten fanden die Forscher verdächtige Übergänge bereits ab 113 Gigapascal Druck, während sie die Probe in einer Druckzelle mit Lasern auf etwa 1200 Grad Celsius erhitzten. Anschließend kann man den Druck bis auf unter 100 Gigapascal reduzieren, bevor der Stoff, wie es die Gruppe vornehm formuliert, dynamisch instabil wird. Aus den Veränderungen des Beugungsmusters von Röntgenstrahlen schließt die Gruppe um Oganov auf die tatsächliche Entstehung des mysteriösen Materials – andere vorhergesagte Eigenschaften wie seinen hohen elektrischen Widerstand konnte das Team bisher allerdings nicht messen. Ob die Berechnungen die neue Verbindung tatsächlich korrekt beschreiben, müssen zukünftige Experimente erweisen.