La minería a cielo abierto de elementos de tierras raras que se utilizan en teléfonos inteligentes y turbinas eólicas es difícil y rara vez se realiza en los Estados Unidos. Los científicos querían saber si podían extraer los metales, presente a niveles de trazas, de salmueras geotérmicas utilizando partículas magnéticas. Las partículas, envuelto en un armazón molecular conocido como armazón organometálico, o MOF, Debe atrapar fácilmente los metales y dejar que el resto fluya. Sin embargo, El equipo dirigido por Pete McGrail en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico descubrió que la fuerza magnética se redujo en un 70 por ciento después de que se formó la capa MOF.

El uso de MOF puede permitir la separación de itrio, escandio, y otros elementos del agua salina de fuentes geotermales, aguas producidas de campos de petróleo y gas, o desechos como cenizas volantes. "Estos elementos tienen muchas aplicaciones:refinado de petróleo, monitores de computadora, imanes en aerogeneradores, "dijo Praveen Thallapally, el líder de diseño de materiales en el estudio. "Ahora, El 99 por ciento de estas tierras raras se importan a EE. UU. "

El conocimiento fundamental obtenido de esta investigación muestra por qué este MOF afectó tanto la fuerza magnética y ofrece información sobre los métodos para evitar estos problemas.

Los científicos comenzaron con un MOF llamado Fe3O4 @ MIL-101-SO3. Contiene iones de cromo conectados por ligandos orgánicos. El proceso de síntesis forma la capa de MOF mediante un proceso de autoensamblaje molecular con el MOF formando una capa alrededor de las partículas del núcleo de magnetita. Los investigadores esperaban que la cáscara tuviera poco impacto en la fuerza magnética de las partículas, pero encontraron que se redujo en un 70 por ciento.

"Queríamos averiguar por qué, dijo Thallapally. Las teorías abundaban, pero nadie había reunido los materiales, pericia, e instrumentación para probar definitivamente lo que estaba sucediendo.

Usaron capacidades de imagen en EMSL, el Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en PNNL. Específicamente, utilizaron microscopía electrónica de barrido y electrónica de transmisión para estudiar la capa MOF. Descubrieron que las partículas aumentaron de tamaño como se esperaba. Esto significaba que el problema no eran las partículas de magnetita que se disolvían en los líquidos utilizados durante la síntesis, una teoría común.

Próximo, también utilizaron espectroscopía 57Fe-Mössbauer para estudiar el estado de oxidación del núcleo metálico. Encontraron una mayor cantidad de hierro férrico oxidado de lo esperado. Profundizando más con la tomografía con sonda atómica, el equipo descubrió que el cromo se había deslizado dentro de los núcleos de hierro. Obtuvieron más detalles sobre el estado de oxidación del cromo utilizando espectroscopía de estructura fina de absorción de rayos X en la fuente de luz avanzada, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

En el final, El equipo demostró que el cromo penetraba en los poros de las partículas de hierro y se reducía al capturar un electrón del hierro oxidándolo. La fuerza magnética de la magnetita está fuertemente determinada por la cantidad de hierro ferroso versus férrico (oxidado) en el material. La oxidación del hierro degradó así las propiedades magnéticas. Estos conocimientos fundamentales permitirán a los investigadores de la ciencia de los materiales ajustar la química del MOF para evitar reacciones de oxidación-reducción no deseadas y retener mejor las propiedades magnéticas del material núcleo-capa.