Nonostante il loro nome, gli elementi delle terre rare in realtà non sono così rari. Abbondante nelle miniere di tutto il mondo, le terre rare sono utilizzate in molti prodotti ad alta tecnologia, compresi i display visivi, batterie, super conduttori, e dischi rigidi del computer. Ma anche se non sono necessariamente difficili da trovare, gli elementi spesso si presentano insieme e sono estremamente difficili da separare ed estrarre.

"Avere la capacità di recuperare le terre rare è importante perché sono limitate ma molto richieste, ", ha detto Monica Olvera de la Cruz della Northwestern University. "Per estrarli, abbiamo bisogno che si disperdano e si separino, ma tendono ad aggregarsi e ad ammassarsi insieme."

Olvera de la Cruz e il suo team stanno lavorando per capire meglio perché le terre rare sono fortemente attratte l'una dall'altra su lunghe distanze, rendendo la separazione e l'estrazione noiosamente difficili. Una serie di simulazioni molecolari suggerisce, per la prima volta, che il mezzo in cui gli elementi sono sospesi, oltre agli elementi stessi, è in parte responsabile della forte attrazione. Questa scoperta potrebbe potenzialmente rendere più veloce il recupero delle terre rare, Più facile, e meno costoso.

Sponsorizzato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, la ricerca è stata recentemente pubblicata in Lettere di revisione fisica . Meng Shen, un borsista post-dottorato nel laboratorio di Olvera de la Cruz, servito come primo autore del documento. Anche lo studente laureato Honghao Li ha contribuito al lavoro.

Le terre rare sono un insieme di 17 elementi chimici lungo la parte inferiore della tavola periodica. Poiché la maggior parte degli elementi ha ciascuno +3 cariche nelle loro strutture ioniche, sono notoriamente difficili da separare.

"Divengono molto concentrati, " disse Olvera de la Cruz, l'avvocato Taylor Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la McCormick School of Engineering della Northwestern. "Se potessimo capire perché si attraggono l'un l'altro, potremmo ottimizzare il meccanismo di estrazione."

Il lungo e costoso processo di separazione richiede centinaia di passaggi e solventi chimici tossici. Per separare gli elementi, gli ingegneri li incapsulano in nanogocce d'acqua autoassemblate immerse nell'olio. Gli ingegneri usano quindi tensioattivi, che afferrano gli elementi dall'acqua e li trascinano nell'olio. Ma quando le gocce d'acqua sono sospese nell'olio, le goccioline sono fortemente attratte l'una dall'altra e si aggregano.

"Esperimenti precedenti e calcoli sull'atomo intero hanno rivelato che queste goccioline interagiscono fortemente a tutte le grandi distanze, "Ha detto Shen. "Purtroppo, quegli studi non hanno rivelato l'origine di quelle interazioni."

In uno studio teorico, Il team di Olvera de la Cruz ha scoperto che il mezzo misto di olio e acqua svolge un ruolo importante.

"Una caratteristica unica di queste emulsioni è che l'interfaccia tra i due mezzi dà luogo alla polarizzazione superficiale, " ha spiegato Olvera de la Cruz. "Quella polarizzazione superficiale contribuisce alle interazioni tra le goccioline".

"Pensavamo che la polarizzazione della carica indotta avrebbe dato un contributo minore all'interazione, " ha detto Shen. "Ma abbiamo scoperto che la carica indotta della polarizzazione superficiale in realtà fornisce un contributo importante all'interazione".

Sebbene i ricercatori abbiano precedentemente studiato le nanoparticelle cariche nell'acqua, in genere usavano fisso, approcci graduali che non si applicavano a un sistema così dinamico. Olvera de la Cruz ha aggirato questo problema sviluppando un approccio computazionale.

"La carica delle goccioline è determinata dalla polarizzazione, e la polarizzazione è determinata dalla carica, " ha detto. "Abbiamo sviluppato una tecnica che potrebbe determinare contemporaneamente la polarizzazione della carica e la risposta del mezzo".

In una svolta sorprendente, il team ha anche scoperto che la scoperta si applica solo alle goccioline d'acqua nell'olio. Quando avviene il contrario, gocce d'olio sospese nell'acqua, la carica indotta è repulsiva e l'attrazione è ridotta. Questa migliore comprensione delle emulsioni può essere applicata alla separazione di terre rare e altri elementi, compresa la rimozione di metalli radioattivi e scorie nucleari.