L'estrazione di superficie per gli elementi delle terre rare utilizzati negli smartphone e nelle turbine eoliche è difficile e raramente viene eseguita negli Stati Uniti. Gli scienziati volevano sapere se potevano estrarre i metalli, presente a livello di tracce, da salamoie geotermiche utilizzando particelle magnetiche. Le particelle, avvolto in un guscio di struttura molecolare noto come struttura metallo-organica, o MOF, dovrebbe facilmente intrappolare i metalli e lasciar fluire il resto. Però, il team guidato da Pete McGrail al Pacific Northwest National Laboratory ha scoperto che la forza magnetica è diminuita del 70 percento dopo la formazione del guscio MOF.

L'uso di MOF può consentire la separazione di ittrio, scandio, e altri elementi da acqua salina da fonti geotermiche, acque prodotte da giacimenti di petrolio e gas, o rifiuti come ceneri volanti. "Questi elementi hanno molte applicazioni:raffinazione del petrolio, monitor per computer, magneti nelle turbine eoliche, " disse Praveen Thallapally, la progettazione dei materiali guida lo studio. "Proprio adesso, Il 99% di queste terre rare viene importato negli Stati Uniti".

La conoscenza fondamentale acquisita da questa ricerca mostra perché questo MOF ha influenzato così tanto la forza magnetica e offre approfondimenti sui metodi per evitare questi problemi.

Gli scienziati hanno iniziato con un MOF chiamato Fe3O4@MIL-101-SO3. Contiene ioni cromo collegati da ligandi organici. Il processo di sintesi forma il guscio MOF mediante un processo di autoassemblaggio molecolare con il MOF che forma uno strato attorno alle particelle del nucleo di magnetite. I ricercatori si aspettavano che il guscio avesse un impatto minimo sulla forza magnetica delle particelle, ma hanno scoperto che è diminuito del 70 percento.

"Volevamo capire perché, " disse Thallapally. Le teorie abbondavano, ma nessuno aveva riunito i materiali, competenza, e strumentazione per provare definitivamente cosa stava succedendo.

Hanno usato le capacità di imaging all'EMSL, il Laboratorio di Scienze Molecolari Ambientali, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE situata al PNNL. Nello specifico, hanno usato la microscopia elettronica a scansione e a trasmissione per studiare il guscio MOF. Hanno scoperto che le particelle aumentavano di dimensioni come previsto. Ciò significava che il problema non erano le particelle di magnetite che si dissolvevano nei liquidi utilizzati durante la sintesi, una teoria comune

Prossimo, hanno anche usato la spettroscopia 57Fe-Mössbauer per studiare lo stato di ossidazione del nucleo metallico. Hanno trovato una quantità maggiore di ferro ferrico ossidato del previsto. Scavando ulteriormente con la tomografia a sonda atomica, il team ha scoperto che il cromo si era insinuato all'interno dei nuclei di ferro. Hanno ottenuto maggiori dettagli sullo stato di ossidazione del cromo utilizzando la spettroscopia a struttura fine di assorbimento dei raggi X presso l'Advanced Light Source, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE presso il Lawrence Berkeley National Laboratory.

Alla fine, il team ha dimostrato che il cromo è penetrato nei pori delle particelle di ferro ed è stato ridotto catturando un elettrone dal ferro, ossidandolo in tal modo. La forza magnetica della magnetite è fortemente determinata dalla quantità di ferro ferroso rispetto a quello ferrico (ossidato) nel materiale. L'ossidazione del ferro ha così degradato le proprietà magnetiche. Queste intuizioni fondamentali consentiranno ai ricercatori di scienza dei materiali di regolare la chimica MOF per prevenire le reazioni di riduzione dell'ossidazione indesiderate e conservare meglio le proprietà magnetiche del materiale del nucleo-guscio.