Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν δημιούργησαν τεχνητά κανάλια μεμβράνης που μιμούνται την ακρίβεια της φύσης για την επιλεκτική εξαγωγή βασικών σπάνιων γαιών.
Ένας άλλος τρόπος
Μια ομάδα επιστημόνων στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν δημιούργησε έναν καθαρότερο και πιο αποτελεσματικό τρόπο εξαγωγής σπάνιων γαιών, τα οποία είναι ζωτικής σημασίας για τεχνολογίες όπως οι μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων και τα smartphones. Η τεχνική θα μπορούσε να ενισχύσει την εγχώρια παραγωγή και να μειώσει την εξάρτηση από τις ακριβές εισαγωγές.
Η νέα διαδικασία καθιστά δυνατό το διαχωρισμό και τη συλλογή σπάνιων γαιών από πηγές που προηγουμένως ήταν πολύ δύσκολες ή αναποτελεσματικές στη χρήση, προσφέροντας μια πιθανή λύση στις προκλήσεις εφοδιασμού που εντείνονται από τις παγκόσμιες εμπορικές εντάσεις.
«Τα σπάνιες γαίες αποτελούν τη ραχοκοκαλιά των προηγμένων τεχνολογιών, αλλά η εξόρυξη και ο καθαρισμός τους είναι ενεργοβόρες και εξαιρετικά δύσκολο να εφαρμοστούν στις απαιτούμενες κλίμακες», δήλωσε ο Manish Kumar, καθηγητής στο Τμήμα Πολιτικών, Αρχιτεκτονικών και Περιβαλλοντικών Μηχανικών Fariborz Maseeh της Σχολής Μηχανικών Cockrell και στο Τμήμα Χημικών Μηχανικών McKetta. «Η εργασία μας στοχεύει να το αλλάξει αυτό, εμπνευσμένη από τον φυσικό κόσμο».
Πώς χρησιμοποιούνται τα κανάλια μεμβράνης
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο ACS Nano, περιγράφει πώς η ομάδα κατασκεύασε τεχνητά κανάλια μεμβράνης, μικροσκοπικούς πόρους μέσα σε μεμβράνες, που μιμούνται τα εξαιρετικά επιλεκτικά συστήματα μεταφοράς των φυσικών πρωτεϊνών σε ζωντανούς οργανισμούς. Στη βιολογία, τέτοια κανάλια καθοδηγούν τα ιόντα καθώς κινούνται μεταξύ των κυττάρων.
Κάθε κανάλι έχει μοναδικές ιδιότητες που επιτρέπουν μόνο σε ιόντα με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά να διέρχονται, ενώ μπλοκάρουν άλλα. Αυτή η λεπτορυθμισμένη επιλεκτικότητα είναι απαραίτητη για πολλές βιολογικές λειτουργίες, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου με τον οποίο ο ανθρώπινος εγκέφαλος επεξεργάζεται πληροφορίες.
Σχεδιασμός Τεχνητών Φύλακων
Τα τεχνητά κανάλια των ερευνητών χρησιμοποιούν μια τροποποιημένη έκδοση μιας δομής που ονομάζεται πιλλαρένιο για να ενισχύσουν την ικανότητά τους να δεσμεύουν και να μπλοκάρουν συγκεκριμένα κοινά ιόντα, ενώ μεταφέρουν συγκεκριμένα ιόντα σπάνιων γαιών. Το αποτέλεσμα είναι ένα σύστημα που μπορεί να μεταφέρει επιλεκτικά μεσαία στοιχεία σπάνιων γαιών, όπως το ευρώπιο (Eu³⁺) και το τέρβιο (Tb³⁺), ενώ αποκλείει άλλα ιόντα όπως το κάλιο, το νάτριο και το ασβέστιο.
«Η φύση έχει τελειοποιήσει την τέχνη της επιλεκτικής μεταφοράς μέσω βιολογικών μεμβρανών», δήλωσε ο Venkat Ganesan, καθηγητής στο Τμήμα Χημικής Μηχανικής McKetta και ένας από τους επικεφαλής της έρευνας. «Αυτά τα τεχνητά κανάλια είναι σαν μικροσκοπικοί φύλακες, επιτρέποντας μόνο στα επιθυμητά ιόντα να περάσουν».
Οι σπάνιες γαίες
Τα στοιχεία σπάνιων γαιών χωρίζονται σε διάφορες κατηγορίες (ελαφριά, μεσαία και βαριά), καθεμία με διαφορετικές ιδιότητες που τα καθιστούν ιδανικά για συγκεκριμένες εφαρμογές. Τα μεσαία στοιχεία χρησιμοποιούνται σε φωτισμό και οθόνες, συμπεριλαμβανομένων των τηλεοράσεων, και ως μαγνήτες σε τεχνολογίες πράσινης ενέργειας, όπως ανεμογεννήτριες και μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων.
Το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ και η Ευρωπαϊκή Επιτροπή έχουν εντοπίσει αρκετά μεσαία στοιχεία, συμπεριλαμβανομένου του ευρώπιου και του τερβίου, ως κρίσιμα υλικά που κινδυνεύουν από διακοπή του εφοδιασμού. Καθώς η ζήτηση για αυτά τα στοιχεία αναμένεται να αυξηθεί κατά 2.600% έως το 2035, η εύρεση βιώσιμων τρόπων εξαγωγής και ανακύκλωσής τους είναι πιο επείγουσα από ποτέ.
Αξιοσημείωτη Επιλεκτικότητα και Αποδοτικότητα
Σε πειράματα, τα τεχνητά κανάλια έδειξαν 40πλάσια προτίμηση για το ευρώπιο έναντι του λανθανίου (ένα ελαφρύ στοιχείο σπάνιων γαιών) και 30πλάσια προτίμηση για το ευρώπιο έναντι του υττερβίου (ένα βαρύ στοιχείο σπάνιων γαιών). Αυτά τα επίπεδα επιλεκτικότητας είναι σημαντικά υψηλότερα από αυτά που επιτυγχάνονται με τις παραδοσιακές μεθόδους που βασίζονται σε διαλύτες, οι οποίες απαιτούν δεκάδες στάδια για την επίτευξη παρόμοιων αποτελεσμάτων.
Χρησιμοποιώντας προηγμένες προσομοιώσεις υπολογιστή, ανακάλυψαν ότι η επιλεκτικότητα των καναλιών καθοδηγείται από μοναδικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ιόντων σπάνιων γαιών και του καναλιού, οι οποίες προκαλούνται από το νερό. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις επιτρέπουν στα κανάλια να διαφοροποιούν τα ιόντα με βάση τη δυναμική ενυδάτωσής τους - πώς τα μόρια του νερού περιβάλλουν και αλληλεπιδρούν με τα ιόντα.
Το μέλλον της έρευνας
Οι ερευνητές οραματίζονται την ενσωμάτωση της τεχνολογίας τους σε κλιμακωτά συστήματα μεμβρανών για βιομηχανική χρήση. Στόχος είναι να διευκολυνθεί η διεξαγωγή διαχωρισμών ιόντων στις ΗΠΑ, χρησιμοποιώντας καθαρή ενέργεια.
«Εργάζονται πάνω σε μια πλατφόρμα για αυτά τα κανάλια που επιτρέπει στους χρήστες να επιλέγουν μια ποικιλία ιόντων για συλλογή. Αυτό θα μπορούσε να περιλαμβάνει άλλα κρίσιμα ορυκτά όπως το λίθιο, το κοβάλτιο, το γάλλιο και το νικέλιο.
Αυτό είναι ένα πρώτο βήμα προς τη μεταφορά των εξελιγμένων στρατηγικών μοριακής αναγνώρισης και μεταφοράς της φύσης σε ισχυρές βιομηχανικές διεργασίες, φέρνοντας έτσι υψηλή επιλεκτικότητα σε περιβάλλοντα όπου οι τρέχουσες μέθοδοι υπολείπονται», δήλωσε η Harekrushna Behera, ερευνητική συνεργάτιδα στο εργαστήριο του Kumar, η οποία εργάστηκε στο έργο.www.worldenergynews.gr
