Ett team av kemister i Kanada har utvecklat ett sätt att bearbeta metaller utan att använda giftiga lösningsmedel och reagens.

Systemet, som också förbrukar mycket mindre energi än konventionella tekniker, skulle kraftigt kunna minska miljöpåverkan av att producera metaller från råvaror eller från post-konsumentelektronik.

"I en tid då naturliga fyndigheter av metaller minskar, det finns ett stort intresse för att förbättra effektiviteten av metallförädling och återvinning, men få störande tekniker läggs fram, "säger Jean-Philip Lumb, en docent vid McGill Universitys avdelning för kemi. "Det är det som gör vårt framsteg så viktigt."

Upptäckten härrör från ett samarbete mellan Lumb och Tomislav Friscic på McGill i Montreal, och Kim Baines från Western University i London, Ont. I en artikel som nyligen publicerades i Vetenskapliga framsteg , forskarna beskriver ett tillvägagångssätt som använder organiska molekyler, istället för klor och saltsyra, för att rena germanium, en metall som används flitigt i elektroniska apparater. Laboratorieexperiment av forskarna har visat att samma teknik kan användas med andra metaller, inklusive zink, koppar, mangan och kobolt.

Forskningen kan markera en viktig milstolpe för rörelsen "grön kemi", som syftar till att ersätta giftiga reagenser som används i konventionell industriell tillverkning med mer miljövänliga alternativ. De flesta framstegen inom detta område har involverat organisk kemi - syntesen av kolbaserade föreningar som används i läkemedel och plaster, till exempel.

"Tillämpningar av grön kemi ligger långt efter inom metallområdet, " säger Lumb. "Ändå är metaller lika viktiga för hållbarhet som alla organiska föreningar. Till exempel, elektroniska enheter kräver många metaller för att fungera."

Tar en sida från biologi

Det finns ingen enda malm rik på germanium, så det erhålls i allmänhet från gruvdrift som en mindre komponent i en blandning med många andra material. Genom en rad processer, den blandningen av materia kan reduceras till germanium och zink.

"För närvarande, för att isolera germanium från zink, det är en ganska otäck process, Baines förklarar. Det nya tillvägagångssättet som utvecklats av McGill och västerländska kemister "gör det möjligt för dig att få germanium från zink, utan de där otäcka processerna."

För att åstadkomma detta, forskarna tog en sida från biologi. Lumb lab i åratal har forskat i melanins kemi, molekylen i mänsklig vävnad som ger hud och hår sin färg. Melanin har också förmågan att binda till metaller. "Vi ställde frågan:" Här är detta biomaterial med utsökt funktion, skulle det vara möjligt att använda det som en ritning för nya, effektivare teknik?'"

Forskarna gick ihop för att syntetisera en molekyl som efterliknar några av melaninets kvaliteter. Särskilt, denna "organiska co-faktor" fungerar som en mediator som hjälper till att extrahera germanium vid rumstemperatur, utan att använda lösningsmedel.

Nästa steg:industriell skala

Systemet utnyttjar också Friscics expertis inom mekanokemi, en framväxande gren av kemin som förlitar sig på mekanisk kraft - snarare än lösningsmedel och värme - för att främja kemiska reaktioner. Fräsburkar som innehåller kulor i rostfritt stål skakas vid höga hastigheter för att hjälpa till att rena metallen.

"Detta visar hur samarbeten naturligtvis kan leda till hållbarhetsinriktad innovation, ", säger Friscic. "Att kombinera elegant ny kemi med lösningsmedelsfria mekanokemiska tekniker ledde oss till en process som är renare genom att kringgå klorbaserad bearbetning, men eliminerar också genereringen av giftigt lösningsmedelsavfall"

Nästa steg i utvecklingen av tekniken blir att visa att den kan användas ekonomiskt i industriell skala, för en rad metaller.

"Det finns en enorm mängd arbete som måste göras för att komma från där vi är nu till dit vi behöver gå, " säger Lumb. "Men plattformen fungerar på många olika typer av metaller och metalloxider, och vi tror att det kan bli en teknik som anammas av industrin. Vi letar efter intressenter som vi kan samarbeta med för att föra denna teknik framåt. "