Forståelse af sjældne jordarters emulsioner

På trods af deres navn, sjældne jordarters elementer er faktisk ikke så sjældne. Rigelig i miner rundt om i verden, sjældne jordarter bruges i mange højteknologiske produkter, inklusive visuelle skærme, batterier, super dirigenter, og computerharddiske. Men selvom de ikke nødvendigvis er svære at finde, grundstofferne forekommer ofte sammen og er ekstremt svære at adskille og udvinde.

"At have evnen til at genvinde sjældne jordarter er vigtigt, fordi de er begrænsede, men i høj efterspørgsel, " sagde Northwestern Universitys Monica Olvera de la Cruz. "For at udtrække dem, vi har brug for dem til at spredes og adskilles, men de har en tendens til at samle sig og klumpe sammen."

Olvera de la Cruz og hendes team arbejder på bedre at forstå, hvorfor sjældne jordarter er stærkt tiltrukket af hinanden over lange afstande, gør adskillelse og ekstraktion kedeligt vanskelig. En række molekylære simuleringer tyder på, for første gang, at mediet, som elementerne er suspenderet i – ud over selve elementerne – er delvist ansvarlig for den stærke tiltrækning. Dette fund kunne potentielt gøre sjældne jordarters genopretning hurtigere, lettere, og billigere.

Sponsoreret af det amerikanske energiministerium, forskningen blev for nylig offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve . Meng Shen, en postdoc i Olvera de la Cruz's laboratorium, fungerede som avisens første forfatter. Kandidatstuderende Honghao Li bidrog også til arbejdet.

Sjældne jordarter er et sæt af 17 kemiske grundstoffer langs bunden af ​​det periodiske system. Fordi de fleste af grundstofferne hver har +3 ladninger i deres ioniske strukturer, de er notorisk svære at adskille.

"De bliver meget koncentrerede, " sagde Olvera de la Cruz, advokaten Taylor professor i materialevidenskab og teknik i Northwesterns McCormick School of Engineering. "Hvis vi kunne forstå, hvorfor de tiltrækker hinanden, vi kunne optimere ekstraktionsmekanismen."

Den tidskrævende og dyre separationsproces kræver hundredvis af trin og giftige kemiske opløsningsmidler. For at adskille elementerne, ingeniører indkapsler dem i selvsamlede nanodråber af vand nedsænket i olie. Ingeniører bruger derefter overfladeaktive stoffer, som griber elementerne fra vandet og trækker dem ned i olien. Men når vanddråberne er suspenderet i olie, dråberne tiltrækkes stærkt af hinanden og samler sig.

"Tidligere eksperimenter og fuld-atom beregninger afslørede, at disse dråber interagerer stærkt på alle store afstande, " sagde Shen. "Desværre, disse undersøgelser afslørede ikke oprindelsen af ​​disse interaktioner."

I en teoretisk undersøgelse, Olvera de la Cruz' team opdagede, at det blandede medium af olie og vand spiller en stor rolle.

"Et unikt træk ved disse emulsioner er, at grænsefladen mellem de to medier giver anledning til overfladepolarisering, " Olvera de la Cruz forklarede. "Den overfladepolarisering bidrager til inter-dråbeinteraktionerne."

"Vi troede, at polariseringen af ​​den inducerede ladning ville give et mindre bidrag til interaktionen, "Shen sagde. "Men vi fandt ud af, at den inducerede ladning af overfladepolarisationen faktisk yder et stort bidrag til interaktionen."

Selvom forskere tidligere har undersøgt ladede nanopartikler i vand, de brugte typisk faste, trinvise tilgange, der ikke gjaldt for et så dynamisk system. Olvera de la Cruz omgik dette problem ved at udvikle en beregningsmetode.

"Dråbernes ladning bestemmes af polarisationen, og polariseringen bestemmes af ladningen, " sagde hun. "Vi udviklede en teknik, der kunne bestemme ladningspolarisering og mediets respons samtidigt."

I et overraskende twist, holdet opdagede også, at resultatet kun gælder for vanddråber i olie. Når det omvendte sker - oliedråber suspenderet i vand - er den inducerede ladning frastødende, og tiltrækningen reduceres. Denne bedre forståelse af emulsioner kan anvendes til at adskille sjældne jordarter såvel som andre grundstoffer, herunder fjernelse af radioaktive metaller og nukleart affald.