Ondanks hun naam, zeldzame aardelementen zijn eigenlijk niet zo zeldzaam. Overvloedig in mijnen over de hele wereld, zeldzame aardmetalen worden in veel hightechproducten gebruikt, inclusief visuele displays, batterijen, super geleiders, en harde schijven van computers. Maar hoewel ze niet per se lastig te vinden zijn, de elementen komen vaak samen voor en zijn uiterst moeilijk te scheiden en te extraheren.

"Het vermogen hebben om zeldzame aardmetalen terug te winnen is belangrijk omdat ze eindig zijn maar er veel vraag naar is, " zei Monica Olvera de la Cruz van de Northwestern University. "Om ze eruit te halen, we hebben ze nodig om te verspreiden en te scheiden, maar ze hebben de neiging om samen te klonteren en samen te klonteren."

Olvera de la Cruz en haar team werken eraan om beter te begrijpen waarom zeldzame aardmetalen sterk tot elkaar worden aangetrokken over lange afstanden, scheiden en extraheren moeizaam bemoeilijken. Een reeks moleculaire simulaties suggereert, Voor de eerste keer, dat het medium waarin de elementen hangen - naast de elementen zelf - mede verantwoordelijk is voor de sterke aantrekkingskracht. Deze bevinding zou het herstel van zeldzame aardmetalen mogelijk sneller kunnen maken, gemakkelijker, en minder duur.

Gesponsord door het Amerikaanse ministerie van Energie, het onderzoek is onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven . Meng Shen, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Olvera de la Cruz, diende als de eerste auteur van het papier. Ook afgestudeerde student Honghao Li droeg bij aan het werk.

Zeldzame aardmetalen zijn een verzameling van 17 chemische elementen onderaan het periodiek systeem. Omdat de meeste elementen elk +3 ladingen hebben in hun ionische structuren, ze zijn notoir moeilijk te scheiden.

"Ze worden erg geconcentreerd, " zei Olvera de la Cruz, de advocaat Taylor Professor of Materials Science and Engineering in Northwestern's McCormick School of Engineering. "Als we konden begrijpen waarom ze elkaar aantrekken, we zouden het extractiemechanisme kunnen optimaliseren."

Het tijdrovende en dure scheidingsproces vereist honderden stappen en giftige chemische oplosmiddelen. Om de elementen te scheiden, ingenieurs kapselen ze in in zelf-geassembleerde nanodruppeltjes water ondergedompeld in olie. Ingenieurs gebruiken dan oppervlakteactieve stoffen, die de elementen uit het water pakken en in de olie trekken. Maar wanneer de waterdruppels in olie worden gesuspendeerd, de druppeltjes worden sterk tot elkaar aangetrokken en aggregeren.

"Eerdere experimenten en volledige atoomberekeningen onthulden dat deze druppeltjes op alle grote afstanden sterk op elkaar inwerken, "Zei Shen. "Helaas, die studies hebben de oorsprong van die interacties niet onthuld."

In een theoretische studie Het team van Olvera de la Cruz ontdekte dat het gemengde medium van olie en water een grote rol speelt.

"Een uniek kenmerk van deze emulsies is dat de interface tussen de twee media aanleiding geeft tot oppervlaktepolarisatie, " legde Olvera de la Cruz uit. "Die oppervlaktepolarisatie draagt ​​bij aan de interacties tussen druppeltjes."

"We dachten dat de polarisatie van de geïnduceerde lading een kleine bijdrage zou leveren aan de interactie, " zei Shen. "Maar we ontdekten dat de geïnduceerde lading van de oppervlaktepolarisatie in feite een belangrijke bijdrage levert aan de interactie."

Hoewel onderzoekers eerder geladen nanodeeltjes in water hebben bestudeerd, ze gebruikten meestal vast, stapsgewijze benaderingen die niet van toepassing waren op een dergelijk dynamisch systeem. Olvera de la Cruz omzeilde dit probleem door een computationele benadering te ontwikkelen.

"De lading van de druppeltjes wordt bepaald door de polarisatie, en de polarisatie wordt bepaald door de lading, " zei ze. "We ontwikkelden een techniek die ladingspolarisatie en de respons van het medium tegelijkertijd kon bepalen."

In een verrassende wending, het team ontdekte ook dat de bevinding alleen van toepassing is op waterdruppels in olie. Wanneer het omgekeerde gebeurt - oliedruppels die in water zijn gesuspendeerd - is de geïnduceerde lading weerzinwekkend en wordt de aantrekkingskracht verminderd. Dit betere begrip van emulsies kan worden toegepast op het scheiden van zeldzame aardmetalen en andere elementen, met inbegrip van de verwijdering van radioactieve metalen en nucleair afval.