A pesar de su nombre, los elementos de tierras raras en realidad no son tan raros. Abundante en minas de todo el mundo, las tierras raras se utilizan en muchos productos de alta tecnología, incluyendo pantallas visuales, baterías super conductores, y discos duros de computadora. Pero aunque no son necesariamente difíciles de encontrar, los elementos a menudo ocurren juntos y son extremadamente difíciles de separar y extraer.

"Tener la capacidad de recuperar tierras raras es importante porque son finitas pero tienen una gran demanda, ", dijo Mónica Olvera de la Cruz de la Northwestern University." Para extraerlos, los necesitamos para dispersarse y separarse, pero tienden a agregarse y agruparse ".

Olvera de la Cruz y su equipo están trabajando para comprender mejor por qué las tierras raras se atraen fuertemente entre sí a través de largas distancias. dificultando tediosamente la separación y la extracción. Una serie de simulaciones moleculares sugieren, por primera vez, que el medio en el que se suspenden los elementos —además de los elementos mismos— es en parte responsable de la fuerte atracción. Este hallazgo podría acelerar la recuperación de tierras raras, más fácil, y menos costoso.

Patrocinado por el Departamento de Energía de EE. UU., la investigación fue publicada recientemente en Cartas de revisión física . Meng Shen, becario postdoctoral en el laboratorio de Olvera de la Cruz, sirvió como primer autor del artículo. El estudiante de posgrado Honghao Li también contribuyó al trabajo.

Las tierras raras son un conjunto de 17 elementos químicos a lo largo de la parte inferior de la tabla periódica. Debido a que la mayoría de los elementos tienen cada uno +3 cargas en sus estructuras iónicas, son notoriamente difíciles de separar.

"Se vuelven muy concentrados, "dijo Olvera de la Cruz, el profesor Lawyer Taylor de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. "Si pudiéramos entender por qué se atraen entre sí, podríamos optimizar el mecanismo de extracción ".

El costoso y lento proceso de separación requiere cientos de pasos y disolventes químicos tóxicos. Para separar los elementos, los ingenieros los encapsulan en nanogotas de agua sumergidas en aceite autoensambladas. Luego, los ingenieros usan tensioactivos, que toman los elementos del agua y los introducen en el aceite. Pero cuando las gotas de agua se suspenden en aceite, las gotas se atraen fuertemente entre sí y se agregan.

"Experimentos anteriores y cálculos de átomos completos revelaron que estas gotitas interactúan fuertemente a todas las grandes distancias, "Dijo Shen." Desafortunadamente, esos estudios no revelaron el origen de esas interacciones ".

En un estudio teórico, El equipo de Olvera de la Cruz descubrió que el medio mixto de aceite y agua juega un papel importante.

"Una característica única de estas emulsiones es que la interfaz entre los dos medios da lugar a la polarización de la superficie, "Explicó Olvera de la Cruz." Esa polarización de la superficie contribuye a las interacciones entre las gotas ".

"Pensamos que la polarización de la carga inducida haría una contribución menor a la interacción, ", Dijo Shen." Pero descubrimos que la carga inducida de la polarización de la superficie en realidad hace una contribución importante a la interacción ".

Aunque los investigadores han estudiado previamente nanopartículas cargadas en agua, normalmente usaban fijo, enfoques paso a paso que no se aplicaban a un sistema tan dinámico. Olvera de la Cruz pasó por alto este problema desarrollando un enfoque computacional.

"La carga de las gotas está determinada por la polarización, y la polarización está determinada por la carga, ", dijo." Desarrollamos una técnica que podría determinar la polarización de la carga y la respuesta del medio simultáneamente ".

En un giro sorprendente el equipo también descubrió que el hallazgo solo se aplica a las gotas de agua en el aceite. Cuando ocurre lo contrario (gotas de aceite suspendidas en agua), la carga inducida es repulsiva y la atracción se reduce. Esta mejor comprensión de las emulsiones se puede aplicar a la separación de tierras raras y otros elementos, incluida la eliminación de metales radiactivos y desechos nucleares.