惰性气体有哪些神奇的应用？

惰性气体一族包括：氦（He）氖（Ne）氩（Ar）氪（Kr）氙（Xe）氡（Rn）。

正如问题描述所说，惰性气体通常很「惰性」，化学性质稳定，不喜欢与其他物质进行化学反应。所以它们才被用作保护气。霓虹灯则是利用稀薄的惰性气体电离时发出的彩色光芒。此外，惰性气体在特殊条件下也能形成某些化合物（如六氟合铂酸氙 Xe[PtF6] 等），化学里面的这种「例外」，可能有些读者也早已见惯不惯了。

要说到大家平时不太了解的用途呢，就不得不说，惰性气体还是实验光谱学家的好伙伴。在实验光谱学家的手中，惰性气体还有哪些神通广大的用途呢？

光谱学家在研究中经常遇到的挑战就是分子不稳定，像那些化学反应过程中产生的不稳定的自由基、离子等等，都是光谱学家需要攻克的难题。如何在实验室中暂时抓住这些活泼的分子，以便研究它们的光谱性质呢？我们就需要惰性气体的帮助。

【应用 1】

一种思路是把这些分子「冻」住，不让它们乱跑，也不让它们和其他分子接触。

用什么来冻呢？惰性气体就很适合。惰性气体有三个优点。首先，它们本身不会和待研究的目标分子发生反应（不然怎么叫「惰性」气体呢？）；其次，惰性气体结成的冰基本是透明的，便于光谱学家在各个波长上进行观测；第三，惰性气体的凝固点很低，所以可以把目标分子「冻」在非常低的温度下，进一步保护它们免受环境热运动的干扰。这种惰性气体的冰就被称为 matrix（意为一个稀疏的原子矩阵），而这种技术就叫做 matrix isolation. 氩（Ar）最为常用。

如何实现 matrix isolation 呢？其实并不难。

首先，我们需要一个特殊的「冰箱」把惰性气体冻住。这「冰箱」本身也得靠惰性气体——氦。氦的熔沸点在惰性气体里面是最低的，所以用它就能把别的惰性气体冻住。我们在一个真空室里面伸进一根支架，上面缠上通着液氦的冷却管路，打开液氦制冷机，就能把支架给冷却到 10 K（-263 °C）以下。然后，我们往真空室里面通一点点惰性气体（比如氩），它就能在寒冷的支架上慢慢结冰，形成 matrix 了。

那如何让 matrix 包裹住目标分子呢？再通一点气体进去呗。想研究什么分子，就把它的样品蒸汽通进真空室里面，最好把管子伸到支架附近。只要计算好样品蒸汽的气压和惰性气体的气压，就能够保证一个样品分子周围能被许许多多个惰性气体分子包裹。事儿就成啦。

如果需要研究的分子是那些不稳定的，没有办法直接买到的分子，那就需要动用一点化学头脑。先找一种「药引子」（学名叫「前驱体」）冻进去，再对它照射激光、紫外线或者用高能电子轰击，把它破坏掉，分解出来的产物就是你想要研究的那些不稳定的分子——它们也就直接被困在惰性气体的 matrix 中，无法动弹了。

【应用 2】

另一种「冻」住目标分子的方法则是使用超流体氦。与其说是「冻」，不如说是「包裹」。把氦气冷却到低于 2 K（-271°C）的时候，它会变成一种性质特殊的「超流体」。把这种氦喷到真空里面，可以形成由几千个氦原子组成的纳米级小液滴。这种小液滴也可以成为惰性、透明的环境，包裹住待研究的目标分子。

怎么实现这种操作呢？通常需要三个真空室，互相连接起来（如下图所示）。

第一个真空室连着一个氦气室，里面装了高压、低温的氦气（20 个大气压以上，温度低于 20 K）。通过喷头，把氦气喷入真空室里面，就能够形成纳米级的超流体氦小液滴。

这些小液滴经过一个小孔，进入第二个捕获室（pick-up chamber）。在这里，我们把目标分子包裹到氦液滴中。怎么包呢？和上面的 matrix isolation 一个套路。捕获室里面事先充了一点点稀薄的目标物质。当小液滴穿过捕获室的时候，就会有概率撞到这些分子，然后就能把它们「吃」进肚子里。同样，只要计算好充入捕获室中的气体浓度，就能比较可靠地保证每个液滴中只包裹 1 个目标分子。

这些包裹着目标分子的小液滴继续前进，进入第三个真空室。这里就可以对这些分子进行一些光谱学研究了，比如打一束激光进去看看它的吸收或者荧光，或者再连接质谱来分析被激光照射后的产物。

【应用 3】

说完「冻」住分子的办法，再来说说另一种神奇的操作：我们可以让分子自己为自己创造出一个小空间，与周围环境隔离开来。这种技术与上图第一个真空室里面制备液氦小滴的方式差不多：在管子里充满高压气体，让它们通过一个细小的喷嘴冲向真空之中。这会产生一种叫做「超音速喷流」（supersonic expansion 或 jet expansion）的现象。处在这种喷流中的气体分子，行进速度是超音速。

超音速喷流是怎么形成的呢？简单来讲，就是分子从高气压的状态涌向真空，却被堵在喷管口狭小的空间内。它们相互之间激烈碰撞，把分子内部的振动、转动能量几乎全部转化为了一致前进的动能，就起到了加速的效果。而对单个分子来说，在超音速区，它们的振动和转动可以被「冷却」到 低于 10 K（-263 °C）的程度。不稳定的自由基、离子也能够在这个区域得到短暂停留，为光谱观测提供可能。

搞航天的朋友比较熟悉拉法尔喷管（Laval nozzle），这就是一种形成超音速喷流的喷管（参见：你曾经被哪些自己所学专业的鬼畜知识震惊过？）在光谱学实验中，也会使用其他形状的喷管。

在形成超音速喷流的时候，常常用大量的载气（carrier gas）来稀释目标分子，把它们的能量带走。惰性气体就是最常用的载气。惰性气体是单原子气体，本身没有任何振动和转动，不会产生干扰光谱。而且，超音速喷流的速度、冷却效果和载气的气压、分子量有关，所以通过选择合适的惰性气体元素，你可以有效地控制喷流的物理特性。

【应用 4】

最后，氦气本身还因为性质独特，有一些特殊用途。液氦用来创造极低的温度，这个大家可能已经比较熟悉了。此外，氦气非常小非常轻（又不会爆炸），在空气中的含量又极低，所以氦气可以用来检查真空室是否存在非常微小的漏气。只要在真空室里充进氦气，然后在可疑之处收集空气，用质谱检验是否有氦气漏出就行了。

这种漏气检测方法可以有多灵敏呢？我们拿氦气球举例子吧。假如说，气球上有个漏气的小孔，它只有一两个原子的直径（0.1 纳米）那么大。这个孔有多小呢？如果往里面充 1 个大气压的氦气，要通过这个小孔漏出 1 毫升的氦气，需要等上 3 年！而氦气漏气检测法的灵敏度，能够让它探测到这么微小的漏气！（Rottländer et al.）可以说，氦气真就是见缝就钻；没有什么孔是氦气漏气检测法检测不出来的。

参考文献：

• Hudgins, D. M. and Allamandola, L. J., J. Phys. Chem. (1995) 99, 3033.
• FELIX Laboratory: User station 1: IR spectroscopy of molecular aggregates in Helium nanodroplets
• Rampino, S., Gauzzi, A et al., IEEE Trans. Appl. Superconduct., (2007) 17, 3286.
• Okumura, M., Yeh, L. I. and Lee, Y. T., J. Chem. Phys. (1985) 83, 3705.
• Ideal Vacuum, NEW Varian VS PR02, VSPR02, Portable No Cart Helium Mass Spectrometer Leak Detector PN G8600A, 120VAC
• Rottländer, H., Umrath, W. and Voss G., Fundamentals of leak detection. Leybold Cat. No. 199 79_VA.02., p6.