Le Hawaii e l'Alaska della chimica, i lantanidi e gli attinidi sono gli elementi che vengono sempre mostrati separatamente dal blocco principale sulla tavola periodica. Sebbene siano divisi dagli elementi più tradizionali, sono metalli importanti per applicazioni come l'energia nucleare e i magneti utilizzati nelle turbine eoliche e nelle auto elettriche.

I prodotti di scarto di queste tecnologie sono pervasivi e di lunga durata, e possono presentare problemi significativi per l'ambiente e l'economia. Lantanidi e attinidi sono spesso mescolati insieme nelle scorie nucleari, e i rifiuti elettronici contengono più elementi lantanidi. Separare i metalli dai rifiuti permette di riciclarli, riducendo la necessità di attività minerarie costose e invasive.

Gli scienziati vogliono comprendere i processi di separazione per renderli più efficienti. I ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno utilizzato i raggi X per studiare un processo di separazione chiamato estrazione con solvente, e hanno spiegato come l'aggiunta di diversi sali nel processo di estrazione può modificare quali lantanidi vengono estratti dai rifiuti. Capire come migliorare le estrazioni dei lantanidi aiuterà anche gli scienziati a separare i lantanidi dagli attinidi.

"Questa ricerca ha fornito importanti spunti che consentiranno una separazione efficace ed efficiente dal punto di vista energetico, " ha detto il chimico di Argonne Ahmet Uysal. "La comprensione di questo processo aiuterà con la purificazione dei materiali critici per le applicazioni industriali".

Gli scienziati iniziano il processo di separazione dissolvendo il materiale in un acido forte. Poi mescolano l'acido, che contiene acqua, con l'olio e lasciare riposare il composto. Poiché l'olio si separa dall'acido e dall'acqua, molecole chiamate estraenti trasportano i metalli desiderati dall'acqua all'olio, preparando il metallo per il riutilizzo.

L'obiettivo è mirare a metalli specifici da estrarre, ma poiché i lantanidi e gli attinidi si comportano in modo molto simile, il processo deve essere ripetuto centinaia di volte per separarli efficacemente. Per rendere possibile l'estrazione, i metalli non viaggiano da soli, sono accompagnati da acqua e sali aggiunti. Questi sali si legano ai metalli e aiutano ad attirarli nell'olio lavorando insieme alle molecole estraenti.

Le molecole dell'estrattore sembrano meduse, con una testa che ama l'acqua e una coda che ama l'olio. Quando olio e acqua si separano nella miscela, gli estrattivi formano un'interfaccia tra i due. Le molecole estraenti poi si avvolgono intorno ai metalli, sali e acqua per trasportare i metalli oltre confine.

In questo studio, gli scienziati hanno studiato l'aggiunta di sali chiamati nitrato e tiocianato per capire come interagiscono in modo diverso con molecole e metalli estraenti. Nello specifico, hanno studiato il fatto che il nitrato separa i lantanidi più leggeri nell'olio, mentre il tiocianato separa i lantanidi più pesanti.

"Man mano che i metalli diventano più pesanti, l'efficienza diminuisce per la separazione nelle miscele di nitrati, ma aumenta per miscele di tiocianato, " ha detto Uysal. "È come un interruttore che inverte queste tendenze, e se esegui i processi uno dopo l'altro, aiuta con la separazione perché puoi alternare l'estrazione dei lantanidi leggeri e pesanti."

La ragione di questa differenza è una domanda aperta a cui il team Argonne ha contribuito a rispondere attraverso tecniche di diffusione dei raggi X e spettroscopia.

Gli scienziati hanno utilizzato la linea di luce ID-C del settore 12 presso l'Advanced Photon Source (APS), un DOE Office of Science User Facility ad Argonne, condurre un esperimento di diffusione dei raggi X per elementi che vanno dai lantanidi più leggeri a quelli più pesanti. Utilizzando i raggi X per determinare il comportamento delle molecole su scale estremamente piccole, hanno osservato differenze nella loro organizzazione sia nelle miscele di nitrati che di tiocianato.

Hanno scoperto che il tiocianato agisce interrompendo la struttura dell'acqua all'interfaccia, permettendo ai lantanidi più pesanti di viaggiare più facilmente nell'olio. Nitrato, d'altra parte, si adatta bene alla struttura esistente dell'acqua all'interfaccia e provoca il raggruppamento, facilitando il trasferimento di lantanidi per lo più più leggeri. "Questi risultati suggeriscono che i lantanidi vengono trasportati attraverso diversi meccanismi in presenza di nitrato o tiocianato, ", ha detto Uysal.

"L'uso della brillante sorgente di fotoni fornita dall'APS e di una tecnica a raggi X di superficie liquida unica è stato fondamentale per lo studio delle strutture di confine tra l'estrattore e i metalli, " disse Wei Bu, uno scienziato presso la linea di luce ChemMatCARS (Chemistry and Materials Center for Advanced Radiation Sources) presso l'APS. Gli scienziati usano questa linea di luce per studiare i materiali su scala atomica, comprese le interfacce tra diversi liquidi.

Il team ha utilizzato anche tecniche di spettroscopia per studiare le strutture durante la fase del processo in cui le molecole sono state estratte nell'olio. Da questi dati, hanno sviluppato un modello del processo che descrive i dati di diffusione dei raggi X in modo significativamente migliore rispetto ai modelli esistenti.

"I modelli precedenti richiedevano la messa a punto di alcuni parametri apparentemente arbitrari per adattarsi ai dati, " disse Srikanth Nayak, il primo autore dello studio, "ma con il nostro nuovo approccio, ogni parametro ha un significato fisico, e ci aiuta a dare un senso ai dati e a trarne conclusioni più utili."

"È importante comprendere ogni fase di questo processo, e il nostro approccio è unico nel modo in cui abbiamo studiato le strutture nell'olio e le strutture interfacciali in modo complementare, " ha detto Uysal. Ciò richiede un team con diversi background scientifici. Ad esempio, l'autrice dello studio Kaitlin Lovering, ora al Langara College in Canada, è un esperto in spettroscopia laser, e Nayak è specializzato in esperimenti di diffusione dei raggi X. Entrambi gli scienziati sono stati una parte cruciale del successo del team, e il loro background riflette la natura multidisciplinare della ricerca.

Un articolo sul nuovo modello del processo di estrazione, "Raggruppamento specifico per ioni di complessi metallo-anfifili nelle separazioni di terre rare, " è stato pubblicato in Nanoscala . Un secondo articolo che descrive le strutture interfacciali durante l'estrazione, "Il ruolo degli effetti ionici specifici nel trasporto ionico:il caso del nitrato e del tiocianato, " è stato pubblicato nel Journal of Physical Chemistry C .