緩解供應鏈危機：美國科學家發現更環保、更高效的稀土提取法

稀土元素，被稱為“工業維生素”，是支撐現代高科技產業的基石。從電動汽車的電池、風力發電機到智能手機和先進的醫療設備，幾乎所有尖端技術都離不開這些關鍵材料。然而，稀土元素的提取和純化過程卻極其復雜、耗能巨大，并且常常涉及大量的化學溶劑，對環境造成污染。在全球貿易局勢日益緊張的背景下，尋找更高效、更清潔的稀土提取技術，成為了各國加強本土供應鏈的關鍵。

最近，來自美國德克薩斯大學奧斯汀分校的科學家團隊，受到大自然的啟發，開發出一種全新且更高效的方法來分離和收集稀土元素。這項技術的關鍵在于模仿生物體中天然蛋白質的運輸系統，創造出人工膜通道（artificial membrane channels）。

在生物學中，這些天然通道就像細胞的“守門員”，擁有高度的選擇性，只允許特定的離子通過，同時阻擋其他離子，這是大腦處理信息等許多復雜生物功能的基礎。研究團隊正是借鑒了這一精妙機制，設計出具有納米級孔隙的人工膜通道。

這些人工通道的核心是一種經過修飾的分子結構，可以有效結合并阻擋鉀、鈉、鈣等常見離子，同時精確地運輸特定的稀土離子。研究人員利用這種通道，成功地實現了對中等稀土元素（如用于照明和綠色能源技術的銪Eu3?和鋱Tb3?）的選擇性運輸。中等稀土元素因其在風力渦輪機和電動汽車電池中的重要作用，被美國能源部和歐盟委員會列為關鍵材料，面臨供應中斷的風險。

這項技術的效率提升是驚人的。在實驗中，人工通道對銪的選擇性，相比輕稀土元素鑭（Lanthanum）高出40倍，相比重稀土元素鐿（Ytterbium）高出30倍。這種高選擇性遠遠超過了傳統依賴數十個步驟的溶劑萃取法。這意味著，原本難以或效率低下的稀土來源，現在可以通過這種新方法進行經濟有效的利用。

通過先進的計算機模擬，科學家們還揭示了這種高選擇性的秘密：它是由稀土離子與通道之間獨特的水介導相互作用驅動的。簡單來說，通道可以根據離子周圍水分子（即水合動力學）的不同動態和相互作用，來精確地區分不同種類的稀土離子，從而實現精準的篩選。

這項耗時超過五年的研究，不僅是基礎化學和工程學領域的重大突破，更具有重大的產業意義。研究人員計劃將這項膜通道技術整合到可擴展的工業系統中使用，目標是在美國本土更容易地進行離子分離，并且整個過程可以利用清潔能源驅動。更進一步，該平臺未來還有潛力擴展到鋰、鈷、鎵、鎳等其他關鍵礦物的提取和回收，為全球能源轉型和供應鏈安全提供一個可持續、高效率的解決方案。

參考資料:DOI:10.1021/acsnano.4c17675