Dietro i dispositivi che modellano la vita moderna c'è una serie di materiali naturali e artificiali. Uno di questi componenti di smartphone e computer sono i metalli delle terre rare, un gruppo di 17 elementi che, perché non si trovano in depositi concentrati, richiedono metodi ad alta intensità energetica e tossici per l'estrazione. Mentre il riciclaggio dei metalli delle terre rare dai dispositivi usati è un modo per alleviare le catene di approvvigionamento tese e ridurre i danni ambientali, la chimica fondamentale necessaria per separare e riutilizzare in modo efficiente questi metalli rimane una sfida.

Ora, una nuova ricerca fornisce un quadro teorico che potrebbe cambiare il paradigma del modo in cui le sostanze chimiche vengono separate. Lo studente laureato Yanze Wu e il professore Joseph Subotnik descrivono in Comunicazioni sulla natura come lo spin di una molecola può essere usato per controllare una reazione chimica. Sulla base di questo concetto, futuri esperimenti condotti attraverso il Centro per le separazioni sostenibili dei metalli (CSSM) potrebbero aiutare i ricercatori a sviluppare modi più efficienti dal punto di vista energetico per purificare e riciclare materiali scarsi come i metalli delle terre rare.

L'obiettivo del CSSM, fondata nel 2019 e guidata da un team di chimici Penn, consiste nello sviluppare metodi di separazione chimica che rendano il processo di riciclaggio dei metalli dai prodotti di consumo più conveniente. Il CSSM riunisce gruppi di chimica teorica e sperimentale, con l'obiettivo di condurre una ricerca fondamentale che fornisca creatività, soluzioni scientificamente guidate alla crisi della catena di approvvigionamento dei metalli delle terre rare.

Subotnik, un chimico teorico, aveva precedentemente lavorato su questioni relative alla fotochimica ed era interessato a capire come la luce influisca sulle molecole. Nel tentativo di comprendere meglio la dinamica delle reazioni fotochimiche, lui e Wu iniziarono a postulare il ruolo dello spin durante i cambiamenti indotti dalla luce allo stato energetico di una molecola. Dopo aver trascorso un anno ad approfondire quest'area di studio, Subotnik si è reso conto attraverso conversazioni con il direttore del CSSM Eric Schelter che questo lavoro teorico potrebbe anche avere implicazioni per la separazione dei metalli.

"Uno dei motivi per cui la separazione dei metalli delle terre rare è difficile è perché molti metalli sono molto simili tra loro. Ma una delle proprietà di un metallo è che ha determinate proprietà di spin, " Dice Subotnik. "Un'idea è che se vuoi separare i metalli, potresti essere in grado di utilizzare le proprietà di rotazione, che può essere molto diverso".

In questo nuovo quadro teorico, i ricercatori mostrano che lo spin aiuta le molecole mentre attraversano geometrie instabili durante una reazione chimica. Subotnik usa l'analogia di trovare un passo di montagna segreto e come il controllo della rotazione potrebbe consentire a qualcuno di viaggiare in un luogo specifico, in questo caso un particolare prodotto di una reazione chimica, Dall'altro lato. "Dimostriamo che un po' di rotazione può costringerti a fare un passaggio contro l'altro con un'enorme fedeltà, e solo un po' di spin può guidare il prodotto che realizzerai, " lui dice.

L'aspetto significativo di questa idea è che lo spin di una molecola può essere modificato utilizzando una quantità molto piccola di energia, e questo piccolo cambiamento di spin ha anche enormi effetti su come procede una reazione chimica. Sebbene l'utilizzo di spin per alimentare i dispositivi sia stata l'ambizione di campi come la spintronica, le sue implicazioni nella chimica fondamentale non sono state ampiamente esplorate. "La domanda è, Puoi usare queste energie davvero piccole per far accadere la chimica non intuitiva, " dice Subotnik. "Se capisco lo spin e posso manipolarlo, potrei promuovere una reazione o l'altra, separare un metallo piuttosto che un altro?"

Ma ciò che rende entusiasmante questa scoperta rende anche impegnativi i prossimi passi:"È potente, ma è difficile da diagnosticare, " Dice Subotnik. Poiché lo spin di una molecola ruota con la molecola stessa e fa una media durante gli esperimenti, è difficile isolare gli impatti della rotazione nelle misurazioni di laboratorio. Per aiutare a convalidare i loro risultati, Subotnik lavorerà con Schelter e Jessica Anna per condurre esperimenti di follow-up e combinare questi dati con nuovi modelli teorici.

"I recenti annunci dell'amministrazione Biden e della General Motors per un passaggio all'ingrosso ai veicoli elettrici creeranno enormi richieste per l'estrazione di litio, cobalto, terre rare, e altri metalli critici, "dice Schelter, "Il lavoro di Joe e Yanze ha importanti implicazioni per separazioni fondamentalmente nuove e selettive di metalli critici che potrebbero ridurre il consumo di energia, sciupare, e la produzione di gas serra associata all'estrazione mineraria, o consentire il riciclaggio di metalli critici".

Al di là delle sue implicazioni per la separazione dei metalli, questo quadro apre anche la strada a un nuovo paradigma su come elettrico, rotazione, e altre proprietà chimiche potrebbero essere combinate in modi che non sono stati esplorati prima. "Nessuno ha davvero combinato questi aspetti di spin e chimica prima, quindi non so cosa succederà, " Dice Subotnik. "Il sogno sarebbe quello di rendere un processo molto più efficiente. Questa è la scienza fondamentale al suo meglio."