Atom kanalları nadir toprak elementlerini zehirli kimyasallar kullanmadan birbirinden ayırabiliyor

Lantan, neodimyum ve disprosyum gibi nadir toprak elementleri arabanızdaki elektrik motorunun, evinizdeki LED ışıkların ve doktorunuzun muayenehanesindeki MRI makinesinin yapımında kullanılır. Ama önce bunların çıkarılması ve birbirlerinden ayrılması gerekiyor. Tarihsel olarak bu saflaştırma, büyük miktarlarda toksik kimyasallara dayanan zor ve maliyetli bir süreç olmuştur.

Şimdi, Chicago Üniversitesi Pritzker Moleküler Mühendislik Okulu’ndan (UChicago PME) Doçent Chong Liu’nun laboratuvarındaki araştırmacılar, Northwestern Üniversitesi ve Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki meslektaşlarıyla birlikte çalışarak, nadir toprak elementlerini birbirinden ayırmak için daha temiz bir yöntem keşfettiler.

Yeni yaklaşım, iyonların içeri girip çıkmasına ve nadir toprak elementlerini ayırt etmesine izin verecek şekilde boyutlandırılmış katmanlara sahip bir mineral malzeme olan manganez oksitin katmanlı bir formuna dayanıyor.

Yeni çalışmanın kıdemli yazarı Liu, “Bu, doğası gereği ayrılması çok zor olan benzer lantanitleri ayırmak için insanların elektrokimyasal interkalasyonu kullandığı ve yapısal özelliklerden yararlandığı ilk seferdir” dedi. Doğa Kimya Mühendisliği. “Ayrıca değerli olan şey, nadir toprak iyonlarının bu malzemeyle nasıl etkileşime girdiğine ve seçiciliği artırmak için onu nasıl değiştirebileceğimize dair birçok yeni anlayış sağlamamızdır.”

Northwestern Üniversitesi’nde kimya profesörü ve çalışmanın yazarlarından biri olan George Schatz, “Bu tür bir ayırma, diğer nadir toprak ayırma yöntemleriyle rekabet halindedir, ancak organik çözücüler olmadan suda yapılır” dedi. “Bu aslında üretim ölçeğinde önemli olabilecek bir fark.”

Elemanları kanallardan sıkıştırmak

15 lantanitin yanı sıra skandiyum ve itriyum da dahil olmak üzere 17 nadir toprak elementi nadiren tek başına ortaya çıkar. Neredeyse her zaman birlikte çıkarılırlar ve kimyasal olarak hemen hemen aynıdırlar; yalnızca iyon boyutu ve asitlik açısından her birini farklı kılan küçük farklılıklar vardır. Bunları ayırmak için genellikle özel yapım moleküller ve her bir elementi bu moleküllerden ayırmak için kullanılan büyük miktarda asit gerekir.

Yeni makalenin ortak yazarlarından biri olan UChicago PME yüksek lisans öğrencisi Jiadong Liu, “Nadir topraklar, ister cevherde ister atık akışında olsun, her zaman birbirine karışır ve bunları birbirlerinden ayırmak, onları diğer her şeyden uzaklaştırdıktan sonra bile ikinci, çok zorlu bir adımdır” dedi.

Chong Liu ve meslektaşları, nadir toprak iyonları arasındaki farklardan birinin, çözelti içinde çözündüğünde her birini çevreleyen su kabuğunun boyutu olduğunu biliyorlardı. Lantan gibi daha hafif nadir toprakların ilk su kabukları daha büyükken, disprosiyum gibi daha ağır nadir toprakların ilk kabukları daha küçüktür.

Bu boyut farkından yararlanan Chong Liu’nun grubu, manganez oksit tasarladı, böylece istiflenmiş katmanları arasındaki boşluklar yalnızca birkaç su molekülü genişliğinde oldu. Daha sonra nadir toprak elementlerinin ham karışımlarını içine sıktılar.

Yaklaşım, unsurları iki gruba ayırdı. Daha küçük su kabuklarına sahip daha ağır lantanitler kanallara daha sıkı yapıştı. Daha büyük kabuklara sahip daha hafif lantanitler katmanları birbirinden ayırarak kavramalarını gevşetti.

Moleküler düzeyde neler olduğunu doğrulamak için UChicago PME ekibi, Schatz’ın Northwestern’deki grubuyla işbirliği yaparak atomların kendilerini nasıl düzenlediklerini ve altta yatan fiziğe dayalı olarak nasıl etkileşime girdiklerini tahmin eden yoğunluk fonksiyonel teorisi adı verilen bir yöntemi kullanarak kuantum mekanik simülasyonları gerçekleştirdi. Ayrıca deneysel X-ışını verilerini elde etmek için Argonne bilim adamlarıyla birlikte çalıştılar.

Araştırmayı Schatz’ın Northwestern’deki laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olarak yürüten ortak yazar Woo Cheol Jeon, “Yoğunluk fonksiyonel teorisi hesaplamalarımızın sinkrotron X-ışını ölçümleriyle ne kadar yakından eşleştiğini görmek inanılmaz derecede ödüllendiriciydi” dedi. “Hesaplamalar, her bir nadir toprak elementinin kapalı kanal içindeki hidrasyon kabuğunu nasıl düzenlediğini atom atom görmemizi sağlıyor; deneyler bunu doğrudan çözemedi.”

Saflaştırmanın ince ayarlanması

Yeni süreç en ağır ve en hafif nadir toprak elementlerini ayırırken, en kullanışlı elementlerden bazıları hâlâ ayrılamayacak kadar benzer davranıyordu. Araştırma ekibi, benzer nadir toprak element çiftlerini ayırt edebilecek şekilde saflaştırmaya ince ayar yapmak için elektrik akımı kullandı ve magnezyum iyonları ekledi.

Magnezyum, nadir toprak elementleri onları genişletmeye çalıştığında bile manganez oksit kanallarını tasarlanan aralıklarında tutan bir iskele görevi gördü; bu, sabitleme adı verilen bir etkidir. Artık nadir toprak iyonları, son derece benzer olsalar bile katmanlı malzemeye bağlanma konusunda farklılıklar gösterdi.

Ph.D. Siqi Zou, “Neredeyse aynı şekilde davranan elementler bile su moleküllerine yer açmak için malzemeyi genişletmeye çalışacaklardır” dedi. ’24, çalışmanın ilk yazarlarından ve eski UChicago PME yüksek lisans öğrencisi. “Kanalı hiç genişleyemeyecek şekilde sabitleyerek, davranıştaki bu küçük farklılığı, her bir öğenin ne kadar güçlü bir şekilde bağlandığı konusunda çok daha büyük bir fark haline getirmeye zorladık.”

Magnezyumun eklenmesiyle neodimyumun lantana göre zenginleşmesi 1,6 kat farktan 5,4 kat farka sıçradı. İki saflaştırma döngüsünden sonra araştırmacılar %97 saflıkta bir neodimyum örneği elde edebildiler. Diğer nadir toprak elementlerinde de benzer gelişmeler görüldü.

Daha temiz bir gelecek

Araştırmacılar, yeni saflaştırma yönteminin sonuçta nadir toprak işlemenin nerede gerçekleştiğine dair farklı düşünme yollarına işaret edebileceğini söyledi.

Araştırmanın ortak yazarı Schatz, “Şu anda, nadir toprak cevherleri dünyanın her yerinde çıkarılıyor, ancak neredeyse tamamı işlenmek üzere yurt dışına gönderiliyor” dedi. “Organik çözücüler yerine sadece su ve elektrik kullanan böyle bir yöntem, bu işlemin nasıl ve nerede yapıldığını gerçekten değiştirebilecek türden bir teknolojidir.”

Ancak yöntem henüz endüstriyel arıtmanın yerini alacak şekilde ölçeklendirilmeye hazır değil. Yine de daha geniş bir tasarım ilkesine işaret ediyor: Bir kanalın genişliğini ayarlamak, bir angstromun kesri kadar farklılık gösteren iyonlar için bile malzemenin hangi iyonları tercih ettiğini belirleyebilir.

Chong Liu’nun grubu şu anda yaklaşımı 15 lantanitten daha fazlasına karşı test ederken, Schatz da sabitleme etkisini daha niceliksel olarak açıklamayı hedefleyerek hesaplamalı modellerini geliştiriyor. Ayrıca bu çalışma için geliştirilen modelleme yaklaşımını diğer materyalleri incelemek için de kullanıyor.