Gli elementi di lantanidi sono parti essenziali dei prodotti high-tech odierni, tra cui televisori a schermo piatto, telefono cellulare, auto elettrica, e satelliti. Sebbene la domanda di questi elementi sia elevata, separare i lantanidi dalle impurità (altri lantanidi) è estremamente difficile. L'industria utilizza l'estrazione liquido-liquido. Il bersaglio in acqua scivola in una fase oleosa con l'aiuto di una molecola estraente. Le impurità rimangono nell'acqua. Per decenni, i ricercatori hanno progettato nuovi estrattivi. Però, hanno in gran parte trascurato gli effetti sottili dei sottili strati d'acqua che arrivano durante il viaggio, avvolto intorno al bersaglio. Una nuova ricerca rivela che particolari matrici di molecole d'acqua influenzano il funzionamento dell'estrattore.

I risultati sottolineano il vantaggio di controllare le interazioni sottili della sfera esterna. L'estrazione liquido-liquido dei lantanidi è una tecnologia ben sviluppata. Perché alcuni estrattivi siano estremamente selettivi e altri no non è ben compreso. Anche, come progettare una migliore selettività non è ben noto. Sapere come l'acqua estratta con l'elemento target influenza la separazione è un passo fondamentale verso la progettazione di sistemi di estrazione migliori. Questi sistemi possono ottenere i lantanidi necessari per i dispositivi ad alta tecnologia.

La comprensione fondamentale del riconoscimento selettivo e della separazione degli ioni lantanidi da parte degli agenti chelanti è di cruciale importanza per il progresso dei sistemi energetici sostenibili. I lantanidi sono difficili da separare l'uno dall'altro a causa delle somiglianze nelle loro proprietà fisiche e chimiche. La maggior parte dei processi di separazione sfrutta una piccola diminuzione del raggio ionico che si verifica attraverso la serie dei lantanidi. Questi processi di separazione utilizzano due liquidi. I liquidi sono come l'olio e l'acqua. Possono essere mescolati insieme ma sempre separati in strati diversi. Durante la miscelazione, il liquido estraente estrae il complesso di lantanidi bersaglio, circondato da strati di molecole d'acqua. Il liquido estraente contiene armi, chiamati ligandi, che afferrano il lantanide. Per un ligando ideale, la diminuzione del raggio ionico comporterebbe un aumento costante dell'estrazione attraverso la serie. Questo è, i ligandi catturerebbero più lutezio (il lantanide con il raggio più piccolo) del lantanio (con il raggio più grande). Però, con il ligando diglicolamide, l'estrazione dei lantanidi aumenta tra i lantanidi leggeri e medi, ma la selettività rimane pressoché costante tra i lantanidi più piccoli, lantanidi pesanti. La collaborazione tra la Colorado School of Mines e l'Oak Ridge National Laboratory ha chiarito l'origine della selettività dei lantanidi attraverso indagini complementari che integrano studi di distribuzione, calcoli di meccanica quantistica, e simulazioni di dinamica molecolare classica.

I risultati mostrano una relazione tra l'acqua coestratta e l'estrazione dei lantanidi da parte del ligando diglicolammide attraverso la serie. La scoperta sottolinea l'importanza delle interazioni del legame idrogeno tra gli ioni nitrato della sfera esterna sul ligando e il complesso dei lantanidi e gli ammassi di acqua in un ambiente non polare. Sulla base degli studi sperimentali e della teoria del funzionale della densità, il meccanismo alla base dell'assorbimento dell'acqua è correlato alla superficie dei controioni nitrati disponibili per interagire con l'acqua coestratta. Le simulazioni di dinamica molecolare chiariscono ulteriormente che gli ioni nitrato della sfera esterna sui ligandi formano legami idrogeno con le molecole d'acqua.

In una prospettiva più ampia, questi risultati hanno implicazioni significative per la progettazione di nuovi sistemi e processi di separazione per ioni lantanidi trivalenti, sottolineando l'importanza di sintonizzare le interazioni della sfera interna ed esterna per ottenere il controllo totale sulla selettività nell'estrazione liquido-liquido dei lantanidi.