Несмотря на свое название, редкоземельные элементы на самом деле не так уж и редки. Редкоземельные металлы, которыми изобилуют шахты по всему миру, используются во многих высокотехнологичных продуктах, включая визуальные дисплеи, батареи, сверхпроводники и компьютерные жесткие диски. Но хотя их не обязательно сложно найти, элементы часто встречаются вместе, и их чрезвычайно трудно разделить и извлечь.
«Возможность извлекать редкоземельные элементы важна, потому что они ограничены, но пользуются большим спросом», - сказала Моника Ольвера де ла Круз из Северо-Западного университета.«Чтобы извлечь их, нам нужно, чтобы они рассеялись и разделились, но они склонны собираться и слипаться».
Олвера де ла Крус и ее команда работают над тем, чтобы лучше понять, почему редкоземельные элементы сильно притягиваются друг к другу на больших расстояниях, что утомительно затрудняет разделение и извлечение. Серия молекулярных симуляций впервые предполагает, что среда, в которой находятся элементы во взвешенном состоянии, помимо самих элементов, частично ответственна за сильное притяжение. Это открытие потенциально может сделать извлечение редкоземельных элементов быстрее, проще и дешевле.
Исследование, спонсируемое Министерством энергетики США, было недавно опубликовано в журнале Physical Review Letters. Мэн Шен, научный сотрудник лаборатории Ольвера де ла Крус, был первым автором статьи. Аспирант Хунхао Ли также внес свой вклад в работу.
Редкие земли представляют собой набор из 17 химических элементов, расположенных в нижней части периодической таблицы. Поскольку каждый из элементов имеет +3 заряда в своей ионной структуре, их, как известно, трудно разделить.
«Они становятся очень концентрированными», - говорит Олвера де ла Круз, профессор материаловедения и инженерии юриста Тейлора в Инженерной школе Маккормика на Северо-Западе. «Если бы мы могли понять, почему они притягиваются друг к другу, мы могли бы оптимизировать механизм извлечения».
Длительный и дорогостоящий процесс разделения требует сотен шагов и токсичных химических растворителей. Чтобы разделить элементы, инженеры заключают их в самособирающиеся нанокапли воды, погруженные в масло. Затем инженеры используют поверхностно-активные вещества, которые захватывают элементы из воды и втягивают их в масло. Но когда капли воды взвешены в масле, капли сильно притягиваются друг к другу и объединяются.
«Более ранние эксперименты и полноатомные расчеты показали, что эти капли сильно взаимодействуют на всех больших расстояниях», - сказал Шен. «К сожалению, эти исследования не выявили происхождение этих взаимодействий».
В ходе теоретического исследования команда Ольвера де ла Крус обнаружила, что смешанная среда нефти и воды играет важную роль.
«Уникальная особенность этих эмульсий заключается в том, что на границе раздела двух сред возникает поверхностная поляризация», - пояснил Ольвера де ла Крус. «Эта поверхностная поляризация способствует взаимодействию между каплями».
«Мы думали, что поляризация индуцированного заряда будет вносить незначительный вклад во взаимодействие», - сказал Шен. «Но мы обнаружили, что индуцированный заряд поверхностной поляризации на самом деле вносит основной вклад во взаимодействие».
Хотя исследователи ранее изучали заряженные наночастицы в воде, они обычно использовали фиксированные, пошаговые подходы, которые не применялись к такой динамической системе. Ольвера де ла Крус обошел эту проблему, разработав вычислительный подход.
«Заряд капель определяется поляризацией, а поляризация определяется зарядом», - сказала она. «Мы разработали методику, позволяющую одновременно определять поляризацию заряда и реакцию среды».
Удивительно, но команда также обнаружила, что открытие применимо только к каплям воды в масле. Когда происходит обратное - капли масла взвешены в воде - индуцированный заряд становится отталкивающим и притяжение уменьшается. Это лучшее понимание эмульсий может быть применено для разделения редкоземельных элементов, а также других элементов, включая удаление радиоактивных металлов и ядерных отходов..