Trots deras namn, sällsynta jordartsmetaller är faktiskt inte så sällsynta. Rikligt i gruvor runt om i världen, sällsynta jordarter används i många högteknologiska produkter, inklusive visuella skärmar, batterier, superledare, och datorns hårddiskar. Men även om de inte nödvändigtvis är svåra att hitta, elementen förekommer ofta tillsammans och är extremt svåra att separera och extrahera.

"Att ha förmågan att återställa sällsynta jordarter är viktigt eftersom de är begränsade men efterfrågade, "sa Northwestern University's Monica Olvera de la Cruz." För att extrahera dem, vi behöver dem att spridas och separera, men de tenderar att aggregera och klumpa ihop sig. "

Olvera de la Cruz och hennes team arbetar för att bättre förstå varför sällsynta jordar är starkt lockade till varandra över långa avstånd, vilket gör separation och extraktion tråkigt svårt. En rad molekylära simuleringar föreslår, för första gången, att mediet i vilket elementen är upphängda - förutom själva elementen - är delvis ansvarig för den starka attraktionen. Denna upptäckt kan möjligen göra återhämtning av sällsynta jordar snabbare, lättare, och billigare.

Sponsrad av US Department of Energy, forskningen publicerades nyligen i Fysiska granskningsbrev . Meng Shen, en postdoktor i Olvera de la Cruz laboratorium, fungerade som tidningens första författare. Doktoranden Honghao Li bidrog också till arbetet.

Sällsynta jordarter är en uppsättning av 17 kemiska element längs botten av det periodiska systemet. Eftersom de flesta av elementen har +3 laddningar i sina jonstrukturer, de är notoriskt svåra att skilja.

"De blir väldigt koncentrerade, "sa Olvera de la Cruz, advokaten Taylor professor i materialvetenskap och teknik vid Northwestern McCormick School of Engineering. "Om vi ​​kunde förstå varför de lockar varandra, vi skulle kunna optimera extraktionsmekanismen. "

Den tidskrävande och dyra separationsprocessen kräver hundratals steg och giftiga kemiska lösningsmedel. För att separera elementen, ingenjörer inkapslar dem i självmonterade nanodroppar av vatten nedsänkta i olja. Ingenjörer använder sedan ytaktiva ämnen, som tar elementen ur vattnet och drar in dem i oljan. Men när vattendropparna hänger i olja, dropparna lockas starkt till varandra och aggregeras.

"Tidigare experiment och fullatomberäkningar visade att dessa droppar interagerar starkt på alla stora avstånd, "Sa Shen." Tyvärr, dessa studier avslöjade inte ursprunget till dessa interaktioner. "

I en teoretisk studie, Olvera de la Cruz team upptäckte att det blandade mediet av olja och vatten spelar en stor roll.

"En unik egenskap hos dessa emulsioner är att gränssnittet mellan de två mediet ger upphov till ytpolarisering, "Olvera de la Cruz förklarade." Den ytpolarisationen bidrar till inter-droppinteraktionerna. "

"Vi trodde att polariseringen av den inducerade laddningen skulle göra ett mindre bidrag till interaktionen, "Shen sa." Men vi fann att den inducerade laddningen av ytpolarisationen faktiskt ger ett stort bidrag till interaktionen. "

Även om forskare tidigare har studerat laddade nanopartiklar i vatten, de använde vanligtvis fast, steg-för-steg-tillvägagångssätt som inte gällde ett sådant dynamiskt system. Olvera de la Cruz kringgick denna fråga genom att utveckla ett beräkningssätt.

"Laddningen av dropparna bestäms av polarisationen, och polarisationen bestäms av laddningen, "sa hon." Vi utvecklade en teknik som kunde bestämma laddningspolarisering och svaret från mediet samtidigt. "

I en överraskande twist, laget upptäckte också att fyndet endast gäller vattendroppar i olja. När det omvända inträffar - oljedroppar som hänger i vatten - är den inducerade laddningen frånstötande och attraktionen reduceras. Denna bättre förståelse av emulsioner kan tillämpas på separering av sällsynta jordarter såväl som andra element, inklusive avlägsnande av radioaktiva metaller och kärnavfall.