Låser op for kraften i et molekyles spin

Bag de enheder, der former det moderne liv, er en række naturlige og menneskeskabte materialer. En sådan komponent i smartphones og computere er sjældne jordartsmetaller, en gruppe på 17 elementer, fordi de ikke findes i koncentrerede aflejringer, kræver energikrævende og giftige metoder at udvinde. Mens genanvendelse af sjældne jordarters metaller fra brugte enheder er en måde at lindre anstrengte forsyningskæder og reducere miljøskader, den grundlæggende kemi, der kræves for effektivt at adskille og genbruge disse metaller, er fortsat en udfordring.

Nu, ny forskning giver en teoretisk ramme, der kan ændre paradigmet for, hvordan kemikalier adskilles. Kandidatstuderende Yanze Wu og professor Joseph Subotnik beskriver i Naturkommunikation hvordan et molekyles spin kan bruges til at styre en kemisk reaktion. Baseret på dette koncept, fremtidige eksperimenter udført gennem Center for Sustainable Separations of Metals (CSSM) kunne hjælpe forskere med at udvikle mere energieffektive måder at rense og genbruge knappe materialer som sjældne jordartsmetaller.

Målet med CSSM, etableret i 2019 og ledet af et team af Penn-kemikere, er at udvikle kemiske separationsmetoder, der gør processen med at genanvende metaller fra forbrugerprodukter mere omkostningseffektiv. CSSM samler teoretiske og eksperimentelle kemigrupper, med det formål at udføre grundforskning, der giver kreativ, videnskabeligt drevne løsninger på krisen i forsyningskæden i sjældne jordarters metal.

Subotnik, en teoretisk kemiker, havde tidligere arbejdet med spørgsmål vedrørende fotokemi og var interesseret i at forstå, hvordan lys påvirker molekyler. I processen med at forsøge bedre at forstå dynamikken i fotokemiske reaktioner, han og Wu begyndte at postulere spin-rollen under lysinducerede ændringer i et molekyls energitilstand. Efter at have brugt et år på at dykke dybt ned i dette studieområde, Subotnik indså gennem samtaler med CSSM -direktør Eric Schelter, at dette teoretiske arbejde også kunne få konsekvenser for metalseparation.

"En af grundene til, at sjældne jordartsmetalseparationer er hårde, er, fordi mange metaller ligner hinanden meget. Men en af ​​egenskaberne ved et metal er, at det har visse spin -egenskaber, " siger Subotnik. "En idé er, at hvis du vil adskille metaller, du kan muligvis bruge spin -egenskaber, som kan være meget anderledes."

I denne nye teoretiske ramme, forskerne viser, at spin hjælper molekyler, når de passerer gennem ustabile geometrier under en kemisk reaktion. Subotnik bruger analogien med at finde et hemmeligt bjergpas og hvordan kontrollerende spin kunne gøre det muligt for nogen at rejse til et bestemt sted, i dette tilfælde et bestemt produkt af en kemisk reaktion, på den anden side. "Vi viser, at en lille smule spin kan tvinge dig til at tage den ene aflevering mod den anden med en enorm troskab, og bare en lille smule spin kan guide hvilket produkt du skal lave, " han siger.

Det væsentlige ved denne idé er, at et molekyles spin kan ændres ved hjælp af meget små mængder energi, og denne lille ændring i spin har også enorme effekter på, hvordan en kemisk reaktion forløber. Mens brugen af ​​spin-to-power-enheder har været ambitionen for områder som spintronics, dets implikationer i fundamental kemi er ikke blevet udforsket bredt. "Spørgsmålet er, Kan du bruge disse virkelig små energier til at få ikke -intuitiv kemi til at ske, " siger Subotnik. "Hvis jeg forstår spin og kan manipulere det, kunne jeg fremme den ene eller anden reaktion, at få et metal til at adskille i stedet for et andet?"

Men det, der gør denne opdagelse spændende, gør også de næste trin udfordrende:"Det er kraftfuldt, men det er svært at diagnosticere, " siger Subotnik. Fordi et molekyles spin roterer med selve molekylet og danner gennemsnit under eksperimenter, det er svært at isolere spins påvirkninger i laboratoriemålinger. For at hjælpe med at validere deres resultater, Subotnik vil arbejde sammen med Schelter og Jessica Anna for at udføre opfølgende eksperimenter og kombinere disse data med nye teoretiske modeller.

"De seneste meddelelser fra Biden-administrationen og General Motors om et engrosskifte til elektriske køretøjer vil skabe enorme krav til minedrift af lithium, kobolt, sjældne jordarter, og andre kritiske metaller, "siger Schelter, "Joe og Yanzes arbejde har vigtige konsekvenser for fundamentalt nye og selektive separationer af kritiske metaller, der kan reducere energiforbruget, spild, og drivhusgasproduktion i forbindelse med minedrift, eller muliggør genbrug af kritiske metaller."

Ud over dens konsekvenser for metalseparation, denne ramme baner også vejen for et nyt paradigme om, hvordan elektriske, spin, og andre kemiske egenskaber kunne kombineres på måder, der ikke er blevet udforsket før. "Ingen har virkelig kombineret disse aspekter af spin og kemi før, så jeg ved ikke hvad der kommer til at ske "Subotnik siger." Drømmen ville være, at du gør en proces mere effektiv. Det er grundlæggende videnskab, når det er bedst."