Oppervlaktemijnbouw voor zeldzame aardelementen die worden gebruikt in smartphones en windturbines is moeilijk en wordt zelden gedaan in de Verenigde Staten. Wetenschappers wilden weten of ze de metalen konden trekken, aanwezig op sporenniveaus, uit geothermische pekel met behulp van magnetische deeltjes. de deeltjes, verpakt in een moleculair raamwerk dat bekend staat als een metaal-organisch raamwerk, of MOF, moet de metalen gemakkelijk opsluiten en de rest voorbij laten stromen. Echter, het team onder leiding van Pete McGrail van het Pacific Northwest National Laboratory ontdekte dat de magnetische sterkte met 70 procent was gedaald nadat de MOF-schaal was gevormd.

Het gebruik van MOF's kan de scheiding van yttrium, scandium, en andere elementen uit zout water uit geothermische bronnen, geproduceerd water uit olie- en gasvelden, of afval zoals vliegas. "Deze elementen hebben veel toepassingen:aardolieraffinage, computerschermen, magneten in windturbines, " zei Praveen Thallapally, het materiaalontwerp leidt op het onderzoek. "Direct, 99 procent van deze zeldzame aardmetalen wordt geïmporteerd in de VS."

De fundamentele kennis die is opgedaan met dit onderzoek laat zien waarom deze MOF de magnetische sterkte zo sterk beïnvloedde en biedt inzichten in methoden om deze problemen te voorkomen.

Wetenschappers begonnen met een MOF genaamd Fe3O4@MIL-101-SO3. Het bevat chroomionen verbonden door organische liganden. Het syntheseproces vormt de MOF-schaal door een moleculair zelfassemblageproces waarbij de MOF een laag opbouwt rond de magnetietkerndeeltjes. Onderzoekers verwachtten dat de schaal weinig invloed zou hebben op de magnetische sterkte van de deeltjes, maar ontdekten dat deze met 70 procent daalde.

"We wilden uitzoeken waarom, "zei Thallapally. Theorieën waren er in overvloed, maar niemand had de materialen bij elkaar gebracht, expertise, en instrumentatie om definitief te bewijzen wat er gebeurde.

Ze gebruikten beeldvormingsmogelijkheden bij EMSL, het Environmental Molecular Sciences Laboratory, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit bij PNNL. specifiek, ze gebruikten scanning-elektronen- en transmissie-elektronenmicroscopie om de MOF-schaal te bestuderen. Ze ontdekten dat de deeltjes zoals verwacht groter werden. Dit betekende dat het probleem niet was dat de magnetietdeeltjes oplossen in de vloeistoffen die tijdens de synthese werden gebruikt, een gangbare theorie.

Volgende, ze gebruikten ook 57Fe-Mössbauer-spectroscopie om de oxidatietoestand van de metalen kern te bestuderen. Ze vonden een grotere hoeveelheid geoxideerd ferri-ijzer dan verwacht. Verder graven met atoomsonde tomografie, het team ontdekte dat chroom in de ijzeren kernen was gekropen. Ze verkregen meer details over de chroomoxidatietoestand met behulp van röntgenabsorptie-fijnestructuurspectroscopie bij de geavanceerde lichtbron, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in het Lawrence Berkeley National Laboratory.

Uiteindelijk, het team toonde aan dat het chroom in de poriën van de ijzerdeeltjes drong en werd gereduceerd door een elektron uit het ijzer te vangen, waardoor het werd geoxideerd. De magnetische sterkte van magnetiet wordt sterk bepaald door de hoeveelheid ferro versus ferri (geoxideerd) ijzer in het materiaal. De ijzeroxidatie verslechterde dus de magnetische eigenschappen. Met deze fundamentele inzichten kunnen materiaalwetenschappelijke onderzoekers de MOF-chemie aanpassen om ongewenste oxidatie-reductiereacties te voorkomen en de magnetische eigenschappen van het kern-schaalmateriaal beter te behouden.