Achter de apparaten die het moderne leven vormgeven, gaat een scala aan natuurlijke en door de mens gemaakte materialen schuil. Een van die componenten van smartphones en computers zijn zeldzame aardmetalen, een groep van 17 elementen die, omdat ze niet worden gevonden in geconcentreerde afzettingen, vereisen energie-intensieve en giftige methoden om te extraheren. Hoewel het recyclen van zeldzame aardmetalen uit gebruikte apparaten een manier is om gespannen toeleveringsketens te verlichten en milieuschade te verminderen, de fundamentele chemie die nodig is om deze metalen efficiënt te scheiden en opnieuw te gebruiken, blijft een uitdaging.

Nutsvoorzieningen, nieuw onderzoek biedt een theoretisch kader dat het paradigma zou kunnen veranderen voor hoe chemicaliën worden gescheiden. Afgestudeerde student Yanze Wu en professor Joseph Subotnik beschrijven in Natuurcommunicatie hoe de spin van een molecuul kan worden gebruikt om een ​​chemische reactie te sturen. Op basis van dit begrip, toekomstige experimenten die worden uitgevoerd via het Centre for Sustainable Separations of Metals (CSSM) zouden onderzoekers kunnen helpen bij het ontwikkelen van meer energie-efficiënte manieren om schaarse materialen zoals zeldzame aardmetalen te zuiveren en te recyclen.

Het doel van de CSSM, opgericht in 2019 en geleid door een team van Penn-chemici, is het ontwikkelen van chemische scheidingsmethoden die het proces van het recyclen van metalen uit consumentenproducten kosteneffectiever maken. CSSM brengt theoretische en experimentele scheikundegroepen samen, met als doel fundamenteel onderzoek te doen dat creatieve, wetenschappelijk onderbouwde oplossingen voor de crisis in de toeleveringsketen van zeldzame aardmetalen.

Subotnik, een theoretisch chemicus, had eerder gewerkt aan vragen met betrekking tot fotochemie en was geïnteresseerd in het begrijpen hoe licht moleculen beïnvloedt. Terwijl we proberen de dynamiek van fotochemische reacties beter te begrijpen, hij en Wu begonnen de rol van spin te postuleren tijdens door licht veroorzaakte veranderingen in de energietoestand van een molecuul. Na een jaar diep in dit studiegebied te hebben gedoken, Subotnik realiseerde zich door gesprekken met CSSM-directeur Eric Schelter dat dit theoretische werk ook implicaties zou kunnen hebben voor metaalscheiding.

"Een van de redenen waarom het scheiden van zeldzame aardmetalen moeilijk is, is omdat veel metalen erg op elkaar lijken. Maar een van de eigenschappen van een metaal is dat het bepaalde spin-eigenschappen heeft, " zegt Subotnik. "Een idee is dat als je metalen wilt scheiden, misschien kun je spin-eigenschappen gebruiken, dat kan heel anders zijn."

In dit nieuwe theoretische kader de onderzoekers laten zien dat spin moleculen helpt bij het passeren van onstabiele geometrieën tijdens een chemische reactie. Subotnik gebruikt de analogie van het vinden van een geheime bergpas en hoe het beheersen van spin iemand in staat zou kunnen stellen naar een specifieke plaats te reizen, in dit geval een bepaald product van een chemische reactie, aan de andere kant. "We laten zien dat een klein beetje spin je kan dwingen om de ene pass tegen de andere te nemen met een enorme getrouwheid, en een klein beetje draaien kan bepalen welk product je gaat maken, " hij zegt.

Wat belangrijk is aan dit idee is dat de spin van een molecuul kan worden veranderd met een zeer kleine hoeveelheid energie, en deze kleine verandering in spin heeft ook enorme effecten op het verloop van een chemische reactie. Hoewel het gebruik van spin-to-power-apparaten de ambitie was van velden als spintronica, de implicaties ervan in de fundamentele chemie zijn niet op grote schaal onderzocht. "De vraag is, Kun je deze echt kleine energieën gebruiken om niet-intuïtieve chemie te laten gebeuren, " zegt Subotnik. "Als ik spin begrijp en het kan manipuleren, zou ik de ene of de andere reactie kunnen bevorderen, om het ene metaal te scheiden in plaats van het andere?"

Maar wat deze ontdekking opwindend maakt, maakt de volgende stappen ook uitdagend:"Het is krachtig, maar het is moeilijk te diagnosticeren, ", zegt Subotnik. Omdat de spin van een molecuul meedraait met het molecuul zelf en uitgemiddeld wordt tijdens experimenten, het is moeilijk om de impact van spin te isoleren in laboratoriummetingen. Om hun bevindingen te valideren, Subotnik gaat samen met Schelter en Jessica Anna vervolgexperimenten uitvoeren en die data combineren met nieuwe theoretische modellen.

"De recente aankondigingen van de regering Biden en General Motors voor een grootschalige verschuiving naar elektrische voertuigen zullen een enorme vraag naar lithiummijnbouw doen ontstaan. kobalt, zeldzame aarden, en andere kritische metalen, " zegt Schelde, "Het werk van Joe en Yanze heeft belangrijke implicaties voor fundamenteel nieuwe en selectieve scheidingen van kritische metalen die het energieverbruik zouden kunnen verminderen, verspilling, en de productie van broeikasgassen in verband met mijnbouw, of kritische metalen recycling mogelijk te maken."

Naast de implicaties voor metaalscheiding, dit raamwerk maakt ook de weg vrij voor een nieuw paradigma over hoe elektrische, draaien, en andere chemische eigenschappen kunnen worden gecombineerd op manieren die nog niet eerder zijn onderzocht. "Niemand heeft deze aspecten van spin en chemie eerder gecombineerd, dus ik weet niet wat er gaat gebeuren, " zegt Subotnik. "De droom zou zijn dat je een proces veel efficiënter maakt. Dat is fundamentele wetenschap op zijn best."