Дослідники з Техаського університету в Остіні (UT Austin) створили штучні мембранні канали, які імітують природну точність, дозволяючи вибірково вилучати ключові рідкісноземельні елементи.
Команда науковців розробила чистіший та ефективніший спосіб видобутку рідкісноземельних елементів, необхідних для виробництва таких технологій, як акумулятори для електромобілів і смартфони. Цей підхід може посилити внутрішнє виробництво та зменшити залежність від дорогого імпорту.
Новий процес дає змогу відокремлювати та збирати рідкісноземельні елементи з джерел, які раніше вважалися надто складними або неефективними для використання. Це потенційно може розв’язати проблему постачання, яка загострюється через глобальні торговельні напруження.
«Рідкісноземельні елементи — це основа сучасних технологій, але їх видобуток і очищення потребують великих енерговитрат і є надзвичайно складними у промисловому масштабі», — зазначив Маніш Кумар, професор факультету інженерії Кокрелла, кафедри цивільного, архітектурного та екологічного будівництва і кафедри хімічної інженерії імені МакКетти. — «Наша мета — змінити це, надихаючись природою».
Дослідження, нещодавно опубліковане в журналі ACS Nano, описує, як команда створила штучні мембранні канали — мікроскопічні пори в мембранах, які імітують вибіркову транспортну функцію білкових каналів у живих організмах. У біології такі канали регулюють рух іонів між клітинами.
Кожен канал має унікальні властивості, які дозволяють проходити лише іонам із певними характеристиками, блокуючи інші. Така тонка вибірковість є ключовою для багатьох біологічних процесів, зокрема для роботи людського мозку.
Створення штучних «привратників»
Штучні канали, розроблені дослідниками, використовують модифіковану структуру піларарену (pillararene), щоб посилити здатність каналів зв’язувати і блокувати звичайні іони, водночас пропускаючи лише вибрані рідкісноземельні.
У результаті система може вибірково транспортувати іони середніх рідкісноземельних елементів, таких як європій (Eu³⁺) і тербій (Tb³⁺), виключаючи іони калію, натрію та кальцію.
«Природа довела до досконалості мистецтво вибіркового транспорту через біологічні мембрани», — пояснив Венкат Ганесан, професор кафедри хімічної інженерії імені МакКетти та один із керівників дослідження. — «Наші штучні канали — це наче мікроскопічні привратники, які пропускають лише потрібні іони».
Рідкісноземельні елементи поділяють на легкі, середні та важкі — кожна група має унікальні властивості й застосовується в різних сферах.
Середні елементи, такі як європій і тербій, використовуються у виробництві освітлювальних пристроїв, дисплеїв (телевізорів) і магнітів для зеленої енергетики, включно з вітровими турбінами та електромобілями.
Міністерство енергетики США та Європейська комісія відносять кілька таких елементів до критично важливих матеріалів, постачання яких перебуває під загрозою. Попит на них може зрости більш ніж на 2600% до 2035 року, тому пошук стійких способів їх видобутку та переробки є надзвичайно актуальним.
Вражаюча вибірковість та ефективність
Під час експериментів штучні канали показали 40-кратну перевагу у виборі європію над лантаном (легкий рідкісноземельний елемент) і 30-кратну — над ітербієм (важкий елемент). Ці показники вибірковості значно перевищують ефективність традиційних розчинних методів, які потребують десятків етапів для досягнення подібних результатів.
За допомогою комп’ютерного моделювання вчені з’ясували, що вибірковість каналів зумовлена водоопосередкованими взаємодіями між іонами рідкісноземельних елементів і стінками каналів. Ці взаємодії дають змогу каналам розрізняти іони за динамікою гідратації — тобто тим, як молекули води їх оточують і взаємодіють із ними.
Кумар і його команда працюють над цією темою понад п’ять років. Учений є фахівцем із мембранних технологій розділення, які він також застосовує для очищення води.
Від лабораторії до промислового використання
Дослідники планують інтегрувати свою технологію у масштабовані мембранні системи для промислового застосування. Мета — зробити процес розділення іонів у США чистішим і енергоефективнішим.
Вони також працюють над створенням платформи, що дозволить вибірково збирати різні типи іонів, включно з іншими важливими матеріалами, такими як літій, кобальт, галій і нікель.
«Це перший крок до перенесення складних механізмів молекулярного розпізнавання і транспорту, властивих природі, у надійні промислові процеси. Це відкриє шлях до високої вибірковості там, де сучасні методи поки що не справляються», — підсумував Харекрушна Бехера, науковий співробітник лабораторії Кумара.