I en ny studie har forskare från Trinity avslöjat att otaliga, intrikata faktorer påverkar uppkomsten och kemin av bastnäsit och sällsynta jordartsmetaller, som är avgörande för dagens tekniska industri och dess hårdvaruproduktion.

Deras arbete, publicerat i den internationella tidskriften Global Challenges , avslöjar ett nyligen förvärvat djup av förståelse som tidigare varit outforskat inom detta område. I kombination markerar resultaten ett betydande framsteg och lovar att omforma vår förståelse av bildning av sällsynta jordartsmetaller.

Av avgörande betydelse, eftersom den globala efterfrågan på sällsynta jordartsmetaller fortsätter att öka – till stor del för att tillgodose den växande efterfrågan på mobiltelefoner, batterier och högtalare som de används i – kan insikter från denna forskning få långtgående konsekvenser och olika industriella och miljömässiga applikationer.

I motsats till tidigare antaganden avslöjar den nya forskningen att bildningen av bastnäsit – det främsta mineralet av sällsynta jordartsmetaller som utnyttjas av industrin – inte är en enkel process utan istället en som drivs av ett mycket komplext samspel av flera faktorer.

Det experimentella tillvägagångssättet innebar att studera interaktionen mellan lösningar som innehåller flera sällsynta jordartsmetaller och vanliga kalcium-magnesiumkarbonatmineraler som kalcit, aragonit och dolomit (som är allmänt förekommande i naturen) under hydrotermiska förhållanden som sträcker sig från 21°C till 210°C. Teamet testade två lösningstyper:en med lika koncentrationer av sällsynta jordartsmetaller och en annan som simulerade koncentrationer som är mer typiska för de vanliga hydrotermiska vätskorna som finns på jorden.

Fynden visar att när de vanliga kalcium-magnesiumkarbonatmineralerna reagerar med vätskor rika på sällsynta jordartsmetaller, ändrar de sina strukturer och kemiska sammansättningar, och bildar en serie sällsynta jordartsmetaller med exotiska namn som lantanit, kozoit, bastnasit och cerianit, med mycket komplex kemi, former och texturer.

Särskilt intressant är att olika lösningstyper leder till distinkta resultat:Till exempel främjar lösningar med lika koncentration kozoit- och bastnasitkristallisering, och bibehåller liknande förhållande av sällsynta jordartsmetaller i fasta ämnen och lösningar.

Omvänt resulterar hydrotermiska vätskor som efterliknar de som finns på jorden i sällsynta jordartsmetaller med varierande elementarfördelningar – och vissa av dessa går till och med igenom avkolningsprocesser på grund av bildandet av sällsynta jordartsmetalloxider.

I slutändan visar experimenten upp den extremt dynamiska karaktären av bildning av sällsynta jordartsmetaller, där instabila mineraler omvandlas till mer stabila mineraler med tiden, och ibland utvecklar texturer som påverkas av närliggande mineralreaktioner som ytterligare understryker processens komplexitet.

Implikationerna av denna forskning sträcker sig långt utanför laboratoriet. Att förstå de komplexa processer som är involverade i bastnäsitbildning har djupgående konsekvenser för både geologer och industri. Forskningen visar att utvecklingen av avancerade simuleringsmodeller är starkt nödvändig, vilket gör det möjligt för forskare att replikera naturliga förhållanden och utforska alternativa metoder för mineralutvinning eller syntes.

Även om utmaningarna kvarstår, öppnar insikterna från denna studie dörren för nya experimentella protokoll för att förstå ödet för sällsynta jordartsmetaller i komplexa geologiska malmer där de koncentreras.

Melanie Maddin, Ph.D. Kandidat i geologi vid Trinity's School of Natural Sciences, är huvudförfattaren till denna studie. Hon sa:"Dessa fynd utmanar de modeller som tidigare tillämpats på bildning av sällsynta jordartsmetaller.

"Vår forskning belyser beroendet av kristallisationsvägar, mineralbildningskinetik och kemisk textur på en myriad av faktorer, inklusive koncentrationer av sällsynta jordartsmetaller, joniska radier, temperatur, tid och värdkorns löslighet."

Juan Diego Rodriguez-Blanco, huvudforskare för forskargruppen och professor vid Trinity's School of Natural Sciences, betonade betydelsen av dessa fynd för att förstå inte bara bastnäsitbildning utan också det bredare fältet av sällsynta jordartsmetaller.

Dr Rodriguez-Blanco, en finansierad utredare i iCRAG (Science Foundation Ireland Research Center in Applied Geosciences), sa:"Denna studie öppnar nya vägar för forskning inom geokemi och mineralogi, vilket banar väg för en mer omfattande förståelse av mineralbildningsprocesser. "

Mer information: Melanie Maddin et al, Chemical Textures on Rare Earth Carbonates:An Experimental Approach to Mimic the Formation of Bastnäsite, Global Challenges (2024). DOI:10.1002/gch2.202400074

Tillhandahålls av Trinity College Dublin