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。
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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
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