Mıknatıslar, akıllı telefonlar ve tıbbi görüntüleme cihazlarının ortak noktası nedir? Hepsi modern teknoloji için hayati önem taşıyan lantanidler adı verilen nadir toprak elemanlarına bağlıdır. Yine de, bu kimyasal olarak benzer unsurları birbirinden ayırmak uzun zamandır kimyanın en zor bulmacalarından biri olmuştur.
Şimdi, ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki bilim adamları, gizemi kırdılar ve lantanid ayrılmasını yöneten moleküler koreografiyi ortaya çıkardılar – bu kritik malzemeleri nasıl işlediğimizi dönüştürebilecek bir atılım.
Lanthanidler, periyodik tablonun en altına yakın bulunan 15 metalik elementten oluşan bir gruptur. Mıknatıslar gibi teknolojiler için gereklidir ve katalizörlerde temel bileşenlerdir – kimyasal reaksiyonları hızlandıran malzemeler. Bununla birlikte, kimyasal olarak çok benzerdirler ve genellikle cevherlerde birlikte bulunurlar, bu da onları ayrılmalarını zorlaştırır.
Bir Argonne kimyager olan Michael Servis, “DOE, lantanidleri teknolojik önemi ve potansiyel arz riskleri nedeniyle kritik malzemeler olarak tanımlıyor. Bunlar yeniden işleme ve ayırma araştırmaları için kilit hedeflerdir.”
Argonne ekibi, ekstraksiyon işlemi sırasında moleküllerin gizli koreografisini ortaya çıkarmak için gelişmiş bilgisayar simülasyonları ve deneyler kullandı. Geleneksel olarak, lantanitler çözücü ekstraksiyonu adı verilen bir yöntem kullanılarak ayrılır. Bu işlemde, lantanidler asidik bir çözelti içinde çözülür ve daha sonra seçici olarak bir yağ fazına ayrılır. Yağdaki ekstrakt molekülleri adı verilen özel moleküller, lantanidlere bağlanır ve bunları ayırmaya yardımcı olur.
Her dansçının bir molekülü temsil ettiği kalabalık bir dans pistini hayal edin. Lanthanid iyonu, ekstrakt molekülleri, diğer iyonlar ve su molekülleri ile çevrili, hepsi bir dans şansı için yarışan şovun yıldızıdır. Araştırmacılar, bu moleküllerin lantanid iyonu çevresindeki “dans etme” şeklinin ekstraksiyon sırasında hangi elementin ayrıldığını belirlediğini buldular.
Metadinamikler adı verilen simülasyon tabanlı bir teknik kullanan ekip, bu moleküler dansın “enerji peyzajı” haritasını yarattı. Bu harita, farklı moleküler düzenlemelerin enerji maliyetlerini ve faydalarını göstermektedir.
Servis, “Metadinamikler, moleküllerin kendilerini lantanidin etrafında düzenleyebilme yollarını görmemize yardımcı olur. Sadece tek bir düzenlemeyi değil, birçok olası düzenlemeyi düşünmek önemlidir. Bu teknik bize bazı lantanidlerin neden diğerlerinden daha kolay olduğu hakkında ipuçları verir.”
Çalışma, lantanim ve europium gibi daha hafif lantanidlerin ekstrakt molekülleri ile daha güçlü bağlar oluşturduğunu bulmuştur. Lutetium gibi daha ağır lantanidler, dans pistindeki kalabalıktan dolayı mücadele ediyor.
Servis, “Ekstrakt molekülü, iyonları ve su lantanidin etrafına sığmalı ve ekstraksiyon verimliliğini etkileyebilecek kalabalık bir ortam yaratmalıdır.” Dedi.
Araştırma ayrıca danstaki su moleküllerinin rolünü vurguladı. Bazı su molekülleri doğrudan lantanid iyonuna bağlanır ve olası dans hareketlerini genişleten hidrojen bağları oluşturarak etkileşimleri stabilize etmeye yardımcı olur. Bu çeşitlilik, ekstraksiyon eğilimlerini anlamak ve daha verimli ayırma süreçleri tasarlamak için çok önemlidir.
Şaşırtıcı bir sonuç, lantanidler boyunca ekstraksiyon seçiciliğinde benzersiz eğilimdi. Birçok geleneksel ayırma sistemi tipik olarak daha ağır lantanidleri daha kolay çıkarır, ancak bu çalışma tam tersini gözlemlemiştir.
Servis, “Eğilim, daha hafif lantanidlerin benzer şekilde çıkarılmasıdır, ancak daha ağır, daha fazla yük yoğun lantanidler için ekstraksiyon verimliliği azalır. Bu eğilimi anlamak, belirli ayrılık ihtiyaçları için daha iyi sistemler tasarlamamıza yardımcı olur.”
Bu keşif sadece lantanid kimyası hakkındaki anlayışımızı geliştirmekle kalmaz, aynı zamanda nadir toprak unsurlarını ayırmak için daha verimli ve uygun fiyatlı yolların yolunu açar. İleriye baktığımızda, ekip seçiciliği daha da artırabilecek diğer çözücüleri ve ekstrakt moleküllerini araştırıyor.
Servis, “Yaklaşımımız temel koordinasyon kimyasını gerçek dünyadaki çözüm koşulları ile köpürüyor ve bize ayırma süreçlerini daha iyi hale getirebilecek bilgiler veriyor.”
Bu araştırmanın sonuçları şurada yayınlandı Kimyasal bilim. Bu çalışmaya katkıda bulunanlar arasında Xiaoyu Wang, Allison Peroutka, Dmytro Kravchuk ve Argonne’den Richard Wilson ve Colorado Maden Okulu’ndan Jenifer Shafer yer alıyor.
