Sarah CP Williams, Çikaqo Universiteti tərəfindən

Lisa Lock tərəfindən redaktə edilib , Robert Egan tərəfindən nəzərdən keçirilib

 Redaktorların qeydləri

 GIST

Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin

Çikaqo Universitetinin Pritzker Molekulyar Mühəndislik Məktəbinin keçmiş doktorantı Siqi Zou (solda) və dosent Çonq Liu, UChicago PME və Şimal-Qərb Universitetindən olan tədqiqatçılar qrupuna rəhbərlik edərək, nadir torpaq elementlərini bir-birindən ayırmaq üçün daha təmiz bir üsul hazırladılar ki, bu da texnologiya istehsalına təsir göstərə bilər. Mənbə: Con Ziç / UChicago Pritzker Molekulyar Mühəndislik Məktəbi

Lantan, neodim və disprosium kimi nadir torpaq elementləri avtomobilinizdə elektrik mühərrikinin, evinizdə LED işıqlarının və həkim otağınızdakı MRT aparatının hazırlanmasında istifadə olunur. Amma əvvəlcə onlar çıxarılmalı və bir-birindən ayrılmalıdır. Tarixən bu təmizləmə çoxlu miqdarda zəhərli kimyəvi maddələrdən istifadə etməklə çətin və baha başa gələn bir proses olub.

İndi Çikaqo Universitetinin Pritzker Molekulyar Mühəndislik Məktəbinin (UChicago PME) dosenti Çonq Liunun laboratoriyasındakı tədqiqatçılar, Şimal-Qərb Universiteti və Arqon Milli Laboratoriyasındakı həmkarları ilə birlikdə nadir torpaq elementlərini bir-birindən ayırmaq üçün daha təmiz bir üsul kəşf ediblər.

Yeni yanaşma, ionların içəri girib çıxmasına və nadir torpaq elementlərini fərqləndirməsinə imkan verən təbəqələri olan mineral material olan manqan oksidinin laylı formasına əsaslanır.

” Nature Chemical Engineering jurnalında dərc olunmuş yeni tədqiqatın baş müəllifi Liu bildirib ki, “İnsanlar elektrokimyəvi interkalasiyadan istifadə edərək struktur xüsusiyyətlərindən istifadə edərək oxşar lantanoidləri ayırıblar. Bu lantanoidləri ayırmaq çox çətindir”. “Dəyərli olan odur ki, nadir torpaq ionlarının bu materialla necə qarşılıqlı təsir göstərdiyi və selektivliyi artırmaq üçün onu necə manipulyasiya edə biləcəyimiz barədə bir çox yeni anlayış təqdim etdik.”

Şimal-Qərb Universitetinin kimya professoru və tədqiqatın həmmüəllifi Corc Şats bildirib ki, “Bu cür ayırma digər nadir torpaq ayırma üsulları ilə rəqabət aparır, lakin bu, üzvi həlledicilər olmadan suda aparılır. Bu, istehsal miqyasında əslində əhəmiyyətli ola biləcək bir fərqdir.”

Elementləri kanallar vasitəsilə sıxışdırmaq

15 lantanoid, üstəgəl skandium və itrium da daxil olmaqla 17 nadir torpaq elementi nadir hallarda təkbaşına əmələ gəlir. Onlar demək olar ki, həmişə birlikdə hasil olunur və kimyəvi cəhətdən demək olar ki, eynidir, hər birini yalnız ion ölçüsü və turşuluq baxımından kiçik fərqlər fərqləndirir. Onları ayırmaq üçün adətən xüsusi hazırlanmış molekullar və hər bir elementi həmin molekullardan ayırmaq üçün istifadə olunan çoxlu miqdarda turşu tələb olunur.

Yeni məqalənin həmmüəllifi, UChicago PME aspirantı Jiadong Liu bildirib ki, “Nadir torpaq elementləri, istər filizdə, istərsə də tullantı axınında olsun, həmişə bir-biri ilə qarışır və onları bir-birindən ayırmaq, hətta onları hər şeydən ayırdıqdan sonra belə, ikinci və çox çətin bir addımdır”.

Çonq Liu və həmkarları bilirdilər ki, nadir torpaq ionları arasındakı fərqlərdən biri məhlulda həll olduqda hər birini əhatə edən su qabığının ölçüsüdür. Lantan kimi daha yüngül nadir torpaq elementlərinin ilk su qabıqları daha böyük, disprosium kimi daha ağır nadir torpaq elementlərinin isə daha kiçik ilk qabıqları var.

Bu ölçü fərqindən istifadə edən Çonq Liunun qrupu manqan oksidini elə hazırladı ki, onun üst-üstə yığılmış təbəqələri arasındakı boşluqlar cəmi bir neçə su molekulu genişliyində olsun. Daha sonra nadir torpaq elementlərinin xam qarışıqlarını içəri sıxdılar.

Bu yanaşma elementləri iki qrupa ayırdı. Kanallarda daha möhkəm ilişib qalmış kiçik su qabıqları olan daha ağır lantanoidlər. Daha böyük qabıqları olan daha yüngül lantanoidlər təbəqələri bir-birindən ayıraraq onların yapışmasını zəiflədirdi.

Molekulyar səviyyədə baş verənləri təsdiqləmək üçün UChicago PME komandası, atomların necə düzüldüyünü və qarşılıqlı təsirini əsas fizikaya əsaslanaraq proqnozlaşdıran sıxlıq funksional nəzəriyyəsi adlanan bir metoddan istifadə edərək kvant mexaniki simulyasiyaları aparmaq üçün Northwestern-dəki Şatz qrupu ilə əməkdaşlıq etdi. Onlar həmçinin eksperimental rentgen məlumatları əldə etmək üçün Argonne alimləri ilə də işlədilər.

“Sıxlıq funksional nəzəriyyəsi hesablamalarımızın sinxrotron rentgen ölçmələri ilə nə qədər uyğun olduğunu görmək inanılmaz dərəcədə faydalı idi”, – tədqiqatı Northwestern-dəki Şatz laboratoriyasında postdoktorantura tədqiqatçısı kimi aparan həmmüəllif Vu Çol Ceon bildirib. “Hesablamalar bizə atom-atom olaraq hər bir nadir torpaq elementinin öz hidratasiya qabığını məhdud kanalın içərisində necə yerləşdirdiyini görməyə imkan verir ki, bu da təcrübələrin birbaşa həll edə bilmədiyi bir şeydir.”

Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və gündəlik və ya həftəlik olaraq vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında yeniliklər əldə edin .

Təmizləmənin dəqiq tənzimlənməsi

Yeni proses ən ağır və ən yüngül nadir torpaq elementlərini ayırsa da, ən faydalı elementlərin bəziləri hələ də ayırmaq üçün çox oxşar davranırdı. Tədqiqat qrupu oxşar nadir torpaq elementləri cütlərini fərqləndirə bilməsi üçün təmizləməni dəqiq tənzimləmək üçün elektrik cərəyanından istifadə etdi və maqnezium ionları əlavə etdi.

Maqnezium, nadir torpaq elementləri onları genişləndirməyə çalışdıqda belə, manqan oksid kanallarını nəzərdə tutulmuş məsafədə saxlayaraq, iskele rolunu oynayırdı – bu effekt sancaqlama adlanır. İndi nadir torpaq ionları, olduqca oxşar olduqda belə, laylı materiala bağlanmada fərqlər göstərirdi.

Tədqiqatın həmmüəllifi və keçmiş UChicago PME aspirantı, fəlsəfə doktoru ’24 Siqi Zou dedi: “Demək olar ki, eyni şəkildə davranan elementlər belə, su molekulları üçün yer açmaq üçün materialı genişləndirməyə çalışacaqlar.” “Kanalı heç genişlənə bilməyəcək şəkildə bağlamaqla, davranışdakı bu kiçik fərqi hər bir elementin nə qədər güclü bağlandığında daha böyük bir fərqə çevirdik.”

Maqneziumun əlavə edilməsi ilə neodimiumun lantanla müqayisədə zənginləşməsi 1,6 dəfədən 5,4 dəfəyə qədər artmışdır. Tədqiqatçılar iki təmizləmə dövründən sonra 97% təmiz olan neodimium nümunəsi əldə edə bildilər. Digər nadir torpaq elementləri üçün də oxşar irəliləyişlər müşahidə edildi.

Daha təmiz gələcək

Tədqiqatçılar bildiriblər ki, yeni təmizləmə metodu nəticə etibarilə nadir torpaq emalının harada baş verdiyi barədə fərqli düşüncə tərzlərinə işarə edə bilər.

Tədqiqatın həmmüəllifi Şatz bildirib ki, “Hazırda nadir torpaq filizləri bütün dünyada çıxarılır, lakin demək olar ki, hamısı emal üçün xaricə göndərilir. Üzvi həlledicilər əvəzinə sadəcə su və elektrik enerjisindən istifadə edən bu kimi bir üsul, emalın necə və harada aparılacağını dəyişdirə biləcək bir texnologiya növüdür.”

Lakin bu metod hələ sənaye təmizlənməsini əvəz etmək üçün miqyaslandırılmağa hazır deyil. Buna baxmayaraq, o, daha geniş dizayn prinsipinə işarə edir: Kanalın enini tənzimləmək, hətta angstromun bir hissəsi qədər fərqlənən ionlar üçün belə, materialın hansı ionlara üstünlük verdiyini müəyyən edə bilər.

Çonq Liunun qrupu hazırda bu yanaşmanı 15 lantanoiddən daha çoxuna qarşı sınaqdan keçirir, Şats isə sancaqlama effektini daha kəmiyyətcə izah etməyi hədəfləyərək hesablama modellərini təkmilləşdirir. O, həmçinin bu iş üçün hazırlanmış eyni modelləşdirmə yanaşmasından digər materialları öyrənmək üçün də istifadə edir.

Nəşr detalları

Siqi Zou və digərləri, Nadir torpaq elementlərinin ayrılması üçün Pinning ångström ölçülü bərk ion kanalları, Təbiət Kimya Mühəndisliyi (2026). DOI: 10.1038/s44286-026-00418-8

Jurnal məlumatları: Təbiət Kimya Mühəndisliyi 

Çikaqo Universiteti tərəfindən təmin edilir