Detrás de los dispositivos que dan forma a la vida moderna hay una variedad de materiales naturales y hechos por el hombre. Uno de esos componentes de los teléfonos inteligentes y las computadoras son los metales de tierras raras, un grupo de 17 elementos que, porque no se encuentran en depósitos concentrados, requieren métodos tóxicos y de uso intensivo de energía para extraer. Si bien el reciclaje de metales de tierras raras de los dispositivos usados ​​es una forma de aliviar las cadenas de suministro tensas y reducir el daño ambiental, la química fundamental necesaria para separar y reutilizar de manera eficiente estos metales sigue siendo un desafío.

Ahora, Una nueva investigación proporciona un marco teórico que podría cambiar el paradigma de cómo se separan las sustancias químicas. El estudiante graduado Yanze Wu y el profesor Joseph Subotnik describen en Comunicaciones de la naturaleza cómo se puede utilizar el giro de una molécula para controlar una reacción química. Basado en este concepto, Los experimentos futuros realizados a través del Centro para Separaciones Sostenibles de Metales (CSSM) podrían ayudar a los investigadores a desarrollar formas más eficientes desde el punto de vista energético para purificar y reciclar materiales escasos como los metales de tierras raras.

El objetivo del CSSM, establecida en 2019 y dirigida por un equipo de químicos de Penn, es desarrollar métodos de separación química que hagan más rentable el proceso de reciclado de metales de productos de consumo. CSSM reúne grupos de química teórica y experimental, con el objetivo de realizar una investigación fundamental que proporcione creatividad, Soluciones científicamente impulsadas para la crisis de la cadena de suministro de metales de tierras raras.

Subotnik, un químico teórico, había estado trabajando anteriormente en cuestiones relacionadas con la fotoquímica y estaba interesado en comprender cómo la luz impacta en las moléculas. En el proceso de intentar comprender mejor la dinámica de las reacciones fotoquímicas, él y Wu comenzaron a postular el papel del espín durante los cambios inducidos por la luz en el estado energético de una molécula. Después de pasar un año profundizando en esta área de estudio, Subotnik se dio cuenta a través de conversaciones con el director de CSSM, Eric Schelter, que este trabajo teórico también podría tener implicaciones para la separación de metales.

"Una de las razones por las que la separación de metales de tierras raras es difícil es porque muchos metales son muy similares entre sí. Pero una de las propiedades de un metal es que tiene ciertas propiedades de giro, ", Dice Subotnik." Una idea es que si quieres separar metales, es posible que pueda utilizar las propiedades de giro, que puede ser muy diferente ".

En este nuevo marco teórico, Los investigadores muestran que el espín ayuda a las moléculas a pasar a través de geometrías inestables durante una reacción química. Subotnik usa la analogía de encontrar un paso de montaña secreto y cómo controlar el giro podría permitirle a alguien viajar a un lugar específico, en este caso un producto particular de una reacción química, Por otro lado. "Demostramos que un poco de giro puede obligarte a realizar un pase frente al otro con una gran fidelidad, y solo un poco de giro puede guiar el producto que vas a hacer, " él dice.

Lo importante de esta idea es que el giro de una molécula se puede cambiar utilizando una cantidad muy pequeña de energía, y este pequeño cambio en el giro también tiene enormes efectos sobre cómo se desarrolla una reacción química. Si bien el uso de giro para alimentar dispositivos ha sido la ambición de campos como la espintrónica, sus implicaciones en la química fundamental no se han explorado ampliamente. "La pregunta es, ¿Puedes usar estas energías realmente pequeñas para hacer que suceda la química no intuitiva? "dice Subotnik." Si entiendo el giro y puedo manipularlo, ¿Podría promover una reacción u otra? conseguir que un metal se separe en lugar de otro? "

Pero lo que hace que este descubrimiento sea emocionante también hace que los próximos pasos sean un desafío:"Es poderoso, pero es difícil de diagnosticar "Dice Subotnik. Debido a que el giro de una molécula gira con la propia molécula y promedia durante los experimentos, es difícil aislar los impactos del giro en las mediciones de laboratorio. Para ayudar a validar sus hallazgos, Subotnik trabajará con Schelter y Jessica Anna para realizar experimentos de seguimiento y combinar esos datos con nuevos modelos teóricos.

"Los recientes anuncios de la administración de Biden y General Motors para un cambio mayoritario a los vehículos eléctricos crearán una enorme demanda de minería de litio, cobalto, tierras extrañas, y otros metales críticos, "dice Schelter, "El trabajo de Joe y Yanze tiene implicaciones importantes para separaciones fundamentalmente nuevas y selectivas de metales críticos que podrían reducir el consumo de energía, desperdicio, y la producción de gases de efecto invernadero asociada con la minería, o permitir el reciclaje de metales críticos ".

Más allá de sus implicaciones para la separación de metales, este marco también allana el camino para un nuevo paradigma sobre cómo girar, y otras propiedades químicas podrían combinarse de formas que no se han explorado antes. "Nadie ha combinado realmente estos aspectos del giro y la química antes, así que no sé qué va a pasar "Dice Subotnik." El sueño sería que hicieras un proceso mucho más eficiente. Eso es ciencia fundamental en su máxima expresión ".