shan氣還是xian氣？神秘元素這樣給水合物拍CT！

作者：寇璇（中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所）

文章來(lái)源于科學(xué)大院公眾號(hào)（ID：kexuedayuan）

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在元素周期表的一隅，有一個(gè)我們熟悉又陌生的元素，這個(gè)隱藏在元素周期表中的神秘氣體，常常被強(qiáng)行碰瓷。不信？大家打開(kāi)百度搜索“氙（xian）氣”，一定會(huì)看的暈頭轉(zhuǎn)向。

（圖片來(lái)源：百度搜索）

氙(xian)氣和疝(shan)氣有什么區(qū)別？其實(shí)，氙氣和疝氣只是看起來(lái)相似。天生帶著病字頭的疝氣是一種疾病，而且它并不是我們要關(guān)注的對(duì)象。這次的主角是氙氣，作為稀有氣體大家族的一員，似乎，它距離我們很遠(yuǎn)，就像它的名字一樣：“Xenon” （希臘語(yǔ)中的陌生人）。

（圖片來(lái)源：元素周期表）

氙氣：“CT屆的畫(huà)骨神器”

在此次疫情中，X射線(xiàn)CT檢測(cè)大顯身手。CT(Computed Tomography)，即電子計(jì)算機(jī)斷層掃描，是利用X射線(xiàn)、γ射線(xiàn)、超聲波等，與靈敏度極高的探測(cè)器一同圍繞某一部位作斷面掃描，可用于多種疾病的檢查，可分為：X射線(xiàn)CT（X-CT）以及γ射線(xiàn)CT（γ-CT)等。CT檢測(cè)只需要幾分鐘，就可以判斷病人肺部是否產(chǎn)生了病變，給予醫(yī)生極大的幫助。

CT圖像是利用不同灰度來(lái)反映器官和組織對(duì)射線(xiàn)的吸收程度。因此，CT呈現(xiàn)出的黑白影像，黑影表示低吸收區(qū)，即低密度區(qū)；白影表示高吸收區(qū)，即高密度區(qū)。在CT檢查中，可以輕易地看見(jiàn)骨骼等細(xì)密的物質(zhì)，但是軟組織卻顯示不清，讓照片“變糊”。在X射線(xiàn)的照射下，氙氣的顯影效果驚人，因此科學(xué)家們利用氙氣強(qiáng)吸收性的特點(diǎn)將其用作顯影劑。

CT影像結(jié)果被納入新冠臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)（圖片來(lái)源：澎湃新聞/經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)）

CT掃描就像是醫(yī)生手中的筆，可以將病人肺部的圖像畫(huà)出。而氙氣更像是醫(yī)生手中的水彩筆。因?yàn)殡瘹庥袠O強(qiáng)的射線(xiàn)吸收能力，人吸入體內(nèi)再去做CT掃描時(shí)，就相當(dāng)于點(diǎn)亮了我們的各個(gè)器官，幫助醫(yī)生更好的判斷器官的病變情況。而且，氙氣無(wú)毒無(wú)害，人體吸入后不會(huì)被人體的血液所吸收，因此可為老人，孩童，孕婦使用。

氙氣——醫(yī)學(xué)影像中的水彩筆

既然氙氣作顯影劑效果甚好，那為什么我們?nèi)メt(yī)院做CT時(shí)，沒(méi)有先讓我們吸一口氙氣呢？這鍋醫(yī)生可不背。其實(shí)這是因?yàn)殡瘹饽壳懊媾R提純難的問(wèn)題，所以?xún)r(jià)格昂貴。毫不夸張地說(shuō)，小小一瓶氙氣就足夠給各位點(diǎn)“在看”的朋友們一人送一枚鉆戒了！

水合物沉積物“現(xiàn)形”

2020年3月，中國(guó)南海神狐海域海上平臺(tái)，那熊熊火焰又一次吸引了全球的目光。那團(tuán)火焰標(biāo)志著我國(guó)南?？扇急瓿啥卧嚥晒ぷ?。

可燃冰，學(xué)名為天然氣水合物，廣泛分布于陸域永久凍土帶和深海淺覆蓋層的松散沉積物中，是甲烷等烴類(lèi)氣體和水在高壓低溫條件下形成的具有籠狀結(jié)構(gòu)的類(lèi)冰狀結(jié)晶物質(zhì)。天然氣水合物資源密度高，全球分布廣泛，具有極高的資源價(jià)值，是油氣工業(yè)界長(zhǎng)期研究的熱點(diǎn)。

然而，天然氣水合物的開(kāi)采會(huì)改變天然氣水合物相平衡條件，引起水合物的分解，導(dǎo)致地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可能引發(fā)一系列地質(zhì)和生態(tài)問(wèn)題。到目前為止，可燃冰開(kāi)采研究仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。（想了解天然氣水合物前世今生的小伙伴，可以看一波龍宮探寶—深埋于海底的可燃冰揭秘）

我國(guó)南海海域可燃冰試采點(diǎn)火現(xiàn)場(chǎng)（圖片來(lái)源：央視新聞）

由于很難獲取現(xiàn)場(chǎng)樣品，需要我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中合成并觀(guān)察水合物的生成和分解過(guò)程，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開(kāi)采工作。

室內(nèi)合成的甲烷水合物（圖片來(lái)源：作者自制）

我們?nèi)绾文軌蛑庇^(guān)獲取水合物的形態(tài)和分布特征呢？如果利用疫情中大顯身手的CT，把水合物放在X射線(xiàn)下掃描，可以像看人體的五臟六腑一樣得到水合物的形態(tài)特征么？隨著CT技術(shù)的不斷進(jìn)步，為了提高成像效果，近十年來(lái)，超高分辨的微米及納米級(jí)別的X-CT被廣泛應(yīng)用于水合物的研究中，也使得水合物的科學(xué)研究邁上了新的臺(tái)階。

但是，科學(xué)家們?nèi)悦媾R艱巨的考驗(yàn)，CT是根據(jù)線(xiàn)性吸收系數(shù)，即密度差來(lái)分辨不同物質(zhì)的，而天然氣水合物的密度與水的密度接近，因此很難將水合物與水區(qū)分開(kāi)來(lái)。

既然醫(yī)療上可以用氙氣作顯影劑，那么我們是否可以合成氙氣水合物，讓它也一展身手呢？

經(jīng)過(guò)前期大量實(shí)驗(yàn)研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)氙氣與水可以在適宜的條件下生成水合物，而氙氣的顯影性也給水合物的觀(guān)察和相關(guān)研究帶來(lái)了便利。

氙氣水合物（亮白色）與石英砂（灰色）（圖片來(lái)源：作者自制）

不僅如此，氙氣水合物的合成技術(shù)還被應(yīng)用到了氙氣的提純研究中?？諝庵械碾繛?.09 ppm（1%=10000ppm），而在天然氣中氙含量約為0.15 % vol.%（體積百分比）[1]。天然氣的主要組成成分包括甲烷、乙烷、丙烷等烴類(lèi)氣體，這些烴類(lèi)氣體都可以生成氣體水合物，但它們的生成和分解條件都比氙氣水合物苛刻的多。那么，生成混合組分的氣體水合物后，再基于不同的分解條件，我們就可以提取得到純凈的氙氣了[2]。還記得我們前面提到的氙氣有多昂貴嗎？未來(lái)某一天，也許氙氣水合物提純法會(huì)讓這個(gè)神秘的元素變得不再陌生。

所以，不要小覷自然界中的每一種元素，雖然它們?cè)谠刂芷诒韮?nèi)只占據(jù)了小小一個(gè)方框，卻耗費(fèi)了科學(xué)家們畢生的經(jīng)歷。它們或許至今仍是一種未知的元素，但在不久的將來(lái)，也可能會(huì)指引我們的科學(xué)研究攀向新的高峰！

參考文獻(xiàn)：

[1] Godish T, Davis WT, Fu JS. Air quality: CRC Press; 2014.

[2] Sergeeva M, Petukhov A, Shablykin D, Trubyanov M, Atlaskin A, Malyshev V, et al. Xenon recovery from natural gas by multiple gas hydrate crystallization: a theory and simulation. Sep Sci Technol. 2020;55:144-54