Lantanidelement är viktiga delar av dagens högteknologiska varor, inklusive platt-TV, mobiltelefoner, elbilar, och satelliter. Även om efterfrågan på dessa element är hög, att separera lantanider från föroreningar (andra lantanider) är extremt svårt. Industri använder extraktion av vätska-vätska. Målet i vatten glider in i en oljefas med hjälp av en extraktionsmolekyl. Föroreningar finns kvar i vattnet. I årtionden, forskare har designat nya extraktionsmedel. Dock, de har i stort sett förbisett de subtila effekterna av de tunna vattenlagren som följer med under resan, lindad runt målet. Ny forskning avslöjar märkliga uppsättningar av vattenmolekyler som påverkar hur extraktionsmedlet fungerar.

Resultaten betonar fördelen med att kontrollera subtila yttre sfärinteraktioner. Vätska-vätskeextraktion av lantanider är en väl utvecklad teknik. Varför vissa extraktionsmedel är extremt selektiva och andra inte är det är inte väl förstått. Också, hur man utformar förbättrad selektivitet är inte välkänt. Att veta hur vatten som utvinns med målelementet påverkar separationen är ett viktigt steg mot att designa bättre extraktionssystem. Dessa system kan få de lantanider som behövs för högteknologiska enheter.

Grundläggande förståelse för selektivt erkännande och separation av lantanidjoner av kelateringsmedel är av avgörande betydelse för att främja hållbara energisystem. Lantanider är svåra att skilja från varandra på grund av likheter i deras fysikaliska och kemiska egenskaper. De flesta separationsprocesser drar fördel av en liten minskning av jonradien som sker över lantanidserien. Dessa separationsprocesser använder två vätskor. Vätskorna är som olja och vatten. De kan blandas ihop men separeras alltid tillbaka i olika lager. Under blandningen, extraktionsvätskan drar ut mållantanidkomplexet, omgiven av lager av vattenmolekyler. Extraktionsvätskan innehåller armar, kallas ligander, som tar tag i lantaniden. För en ideal ligand, minskningen av jonradien skulle resultera i stadigt ökande extraktion över serien. Det är, liganderna skulle fånga mer lutetium (lantaniden med den minsta radien) än lantan (med den största radien). Dock, med diglykolamidliganden, lantanidextraktionen ökar över de lätta till mellersta lantaniderna men selektiviteten förblir nästan konstant över de mindre, tunga lantanider. Samarbetet mellan Colorado School of Mines och Oak Ridge National Laboratory klargjorde ursprunget till lantanidselektivitet genom kompletterande undersökningar som integrerade distributionsstudier, kvantmekaniska beräkningar, och klassiska molekylära dynamiska simuleringar.

Resultaten visar ett samband mellan coextraherat vatten och lantanid -extraktion av diglykolamid -liganden i hela serien. Fyndet pekar på vikten av vätebindande interaktioner mellan nitratjoner i den yttre sfären på liganden och lantanidkomplexet och vattenkluster i en opolär miljö. Baserat på experimentella och densitetsfunktionella teoristudierna, mekanismen bakom vattenupptagningen är relaterad till ytarean på de nitratmotjoner som är tillgängliga för att interagera med samextraherat vatten. Molekylär dynamiksimuleringar belyser ytterligare att nitratjoner i den yttre sfären på liganderna bildar vätebindningar med vattenmolekyler.

I ett vidare perspektiv, dessa resultat har betydande implikationer för utformningen av nya separationssystem och processer för trevärda lantanidjoner, betonar vikten av att justera interaktioner mellan både inre och yttre sfärer för att erhålla total kontroll över selektivitet i vätske-vätskeextraktionen av lantanider.