Un nuovo studio descrive un nuovo approccio per purificare i metalli delle terre rare, componenti cruciali della tecnologia che richiedono procedure minerarie dannose per l'ambiente. Facendo affidamento sui campi magnetici del metallo durante il processo di cristallizzazione, i ricercatori sono stati in grado di separare in modo efficiente e selettivo miscele di metalli delle terre rare.

Settantacinque dei 118 elementi della tavola periodica vengono portati nelle tasche e nelle borse di oltre 100 milioni di utenti iPhone statunitensi ogni giorno. Alcuni di questi elementi sono abbondanti, come il silicio nei chip dei computer o l'alluminio per le custodie, ma alcuni metalli necessari per display nitidi e suoni chiari sono difficili da ottenere. Diciassette elementi noti come metalli delle terre rare sono componenti cruciali di molte tecnologie ma non si trovano in depositi concentrati, e, perché sono più dispersi, richiedono procedure tossiche e dannose per l'ambiente per l'estrazione.

Con l'obiettivo di sviluppare modi migliori per riciclare questi metalli, una nuova ricerca del laboratorio di Eric Schelter descrive un nuovo approccio per separare miscele di metalli delle terre rare con l'aiuto di un campo magnetico. L'approccio, pubblicato in Angewandte Chemie Edizione Internazionale , ha visto raddoppiare le prestazioni di separazione ed è un punto di partenza verso un'economia dei metalli delle terre rare più pulita e circolare.

L'approccio standard per separare le miscele di elementi consiste nell'eseguire una reazione chimica che faccia cambiare fase a uno degli elementi, come passare da liquido a solido, che consente di separare gli elementi utilizzando metodi fisici come la filtrazione. Questo tipo di approccio viene utilizzato per separare i metalli delle terre rare; le miscele vengono poste in una soluzione di un acido, e un composto organico e singoli ioni metallici si spostano lentamente fuori dalla fase acida e nella fase organica a velocità variabili in base alle proprietà chimiche del metallo.

La cosa difficile è che molte proprietà chimiche, come la solubilità o come reagiscono con altri elementi, sono molto simili tra i metalli delle terre rare. Questa mancanza di una forte differenza chimica significa che la separazione dei metalli delle terre rare è un processo che richiede tempo ed energia che genera anche una notevole quantità di rifiuti acidi. "Funziona bene quando lo fai 10, 000 volte, ma ogni singolo passaggio è poco efficiente, "dice Schelter.

La differenza tra i singoli metalli delle terre rare è il loro paramagnetismo, o quanto sono attratti dai campi magnetici. I ricercatori sono stati interessati a trovare modi per utilizzare il paramagnetismo per isolare diversi elementi di terre rare, ma gli sforzi precedenti non avevano trovato il modo di accoppiare il paramagnetismo con una reazione chimica o uno sfasamento.

La scoperta chiave è stata che la combinazione di un campo magnetico con una diminuzione della temperatura ha causato la cristallizzazione di ioni metallici a velocità diverse. La cristallizzazione degli elementi diminuendo la temperatura è un approccio comunemente usato in laboratorio, ma l'entità del suo impatto fu inaspettata. "Utilizziamo temperature più basse per cristallizzare molti dei nostri materiali, " spiega il ricercatore post-dottorato Robert Higgins, che ha condotto lo studio. "Era una delle cose che potevo potenzialmente usare, ma all'inizio non mi rendevo conto di quanto sarebbe stato importante".

Utilizzando questo approccio, i ricercatori possono separare in modo efficiente e selettivo le terre rare pesanti come il terbio e l'itterbio da metalli più leggeri come il lantanio e il neodimio. Il risultato più sorprendente è stato prendere una miscela 50/50 di lantanio e disprosio e recuperare il 99,7% di disprosio in un solo passaggio:un "aumento del 100%" rispetto allo stesso metodo ma senza l'uso di un magnete.

Poiché i meccanismi chimici degli approcci di separazione esistenti non sono ben compresi, i ricercatori sperano che il loro approccio sistematico possa portare le tecnologie di separazione dei metalli dalla "magia" a qualcosa di più controllabile, competitivo, e conveniente. "Se potessi progettare razionalmente modi per migliorare la separazione dei metalli, sarebbe un enorme vantaggio, " afferma Schelter. "La nostra posizione è quella di affrontare le applicazioni di nicchia relative alle separazioni chimiche utilizzando un approccio che può essere applicato ai nuovi sistemi di separazione per integrare la tecnologia esistente".

Higgins sta ora cercando modi per migliorare l'efficienza della reazione mentre studia come i campi magnetici interagiscono con queste soluzioni chimiche. Vede questo studio e altri risultati fondamentali della chimica come un primo passo importante per rendere il riciclaggio dei metalli delle terre rare più efficiente e sostenibile. "Più velocemente possiamo trovare nuovi modi per eseguire le separazioni in modo più efficiente, più velocemente possiamo migliorare alcuni dei problemi geopolitici e climatici associati all'estrazione e al riciclaggio di terre rare, "dice Higgins.