Lanthanide-elementen zijn essentiële onderdelen van de hedendaagse hightechproducten, waaronder flatscreen-tv's, telefoons, elektrische auto's, en satellieten. Hoewel de vraag naar deze elementen groot is, het scheiden van lanthaniden van onzuiverheden (andere lanthaniden) is buitengewoon moeilijk. De industrie maakt gebruik van vloeistof-vloeistofextractie. Het doelwit in water glijdt in een oliefase met behulp van een extractiemolecuul. Onzuiverheden blijven in het water achter. Al decenia, onderzoekers hebben nieuwe extractanten ontworpen. Echter, ze hebben grotendeels de subtiele effecten over het hoofd gezien van de dunne waterlagen die meekomen tijdens de rit, gewikkeld rond het doel. Nieuw onderzoek onthult dat eigenaardige reeksen watermoleculen de werking van het extractiemiddel beïnvloeden.

De bevindingen benadrukken het voordeel van het beheersen van subtiele interacties in de buitenste sfeer. Vloeistof-vloeistofextractie van lanthaniden is een goed ontwikkelde technologie. Waarom bepaalde extractiemiddelen uiterst selectief zijn en andere niet, wordt niet goed begrepen. Ook, hoe een verbeterde selectiviteit te ontwerpen is niet goed bekend. Weten hoe water dat met het doelelement wordt gewonnen, de scheiding beïnvloedt, is een essentiële stap in de richting van het ontwerpen van betere extractiesystemen. Deze systemen kunnen de lanthaniden krijgen die nodig zijn voor hightech-apparaten.

Fundamenteel begrip van selectieve herkenning en scheiding van lanthanide-ionen door chelaatvormers is van cruciaal belang voor het bevorderen van duurzame energiesystemen. Lanthaniden zijn moeilijk van elkaar te scheiden vanwege overeenkomsten in hun fysische en chemische eigenschappen. De meeste scheidingsprocessen profiteren van een kleine afname van de ionenstraal die optreedt over de lanthanidereeks. Deze scheidingsprocessen gebruiken twee vloeistoffen. De vloeistoffen zijn als olie en water. Ze kunnen met elkaar worden gemengd, maar altijd weer scheiden in verschillende lagen. Tijdens het mengen, de extractievloeistof trekt het beoogde lanthanidecomplex naar buiten, omgeven door lagen watermoleculen. De extractievloeistof bevat armen, liganden genoemd, die de lanthanide grijpen. Voor een ideaal ligand, de afname van de ionenstraal zou resulteren in een gestaag toenemende extractie over de reeks. Dat is, de liganden zouden meer lutetium (het lanthanide met de kleinste straal) opvangen dan lanthaan (met de grootste straal). Echter, met het diglycolamideligand, lanthanide-extractie neemt toe over de lichte tot middelste lanthaniden, maar de selectiviteit blijft bijna constant over de kleinere, zware lanthaniden. De samenwerking tussen Colorado School of Mines en Oak Ridge National Laboratory heeft de oorsprong van lanthanideselectiviteit opgehelderd door middel van complementaire onderzoeken waarin distributiestudies werden geïntegreerd, kwantummechanische berekeningen, en klassieke moleculaire dynamica-simulaties.

De resultaten laten een verband zien tussen gecoëxtraheerd water en lanthanide-extractie door het diglycolamide-ligand over de hele reeks. De bevinding wijst op het belang van de waterstofbindingsinteracties tussen nitraationen in de buitenste bol op het ligand en het lanthanidecomplex en waterclusters in een niet-polaire omgeving. Gebaseerd op de experimentele en dichtheidsfunctionaaltheoriestudies, het mechanisme dat aan de wateropname ten grondslag ligt, is gerelateerd aan het oppervlak van de nitraat-tegenionen die beschikbaar zijn voor interactie met gecoëxtraheerd water. Moleculaire dynamische simulaties verduidelijken verder dat nitraationen van de buitenste bol op de liganden waterstofbruggen vormen met watermoleculen.

In een breder perspectief, deze resultaten hebben significante implicaties voor het ontwerp van nieuwe scheidingssystemen en processen voor driewaardige lanthanide-ionen, waarbij het belang wordt benadrukt van het afstemmen van zowel binnen- als buitensfeerinteracties om totale controle over selectiviteit bij de vloeistof-vloeistofextractie van lanthaniden te verkrijgen.