Bakom enheterna som formar det moderna livet finns en rad naturliga och mänskliga material. En sådan komponent i smartphones och datorer är sällsynta jordartsmetaller, en grupp av 17 element som, eftersom de inte finns i koncentrerade avlagringar, kräver energikrävande och giftiga metoder att utvinna. Även om återvinning av sällsynta jordartsmetaller från använda enheter är ett sätt att lindra ansträngda leveranskedjor och minska miljöskador, Den grundläggande kemin som krävs för att effektivt separera och återanvända dessa metaller är fortfarande en utmaning.

Nu, ny forskning ger en teoretisk ram som kan förändra paradigmet för hur kemikalier separeras. Doktorand Yanze Wu och professor Joseph Subotnik beskriver i Naturkommunikation hur en molekyls spinn kan användas för att kontrollera en kemisk reaktion. Baserat på detta koncept, framtida experiment som genomförs genom Center for Sustainable Separations of Metals (CSSM) skulle kunna hjälpa forskare att utveckla mer energieffektiva sätt att rena och återvinna knappa material som sällsynta jordartsmetaller.

Målet med CSSM, etablerades 2019 och leddes av ett team av Penn-kemister, är att utveckla kemiska separationsmetoder som gör processen att återvinna metaller från konsumentprodukter mer kostnadseffektiv. CSSM sammanför teoretiska och experimentella kemigrupper, med målet att bedriva grundforskning som ger kreativa, vetenskapligt drivna lösningar på krisen i leveranskedjan för sällsynta jordartsmetaller.

Subotnik, en teoretisk kemist, hade tidigare arbetat med frågor relaterade till fotokemi och var intresserad av att förstå hur ljus påverkar molekyler. I processen att försöka bättre förstå dynamiken i fotokemiska reaktioner, han och Wu började postulera spinns roll under ljusinducerade förändringar av en molekyls energitillstånd. Efter att ha tillbringat ett år med att fördjupa sig i detta område av studien, Subotnik insåg genom samtal med CSSM-direktör Eric Schelter att detta teoretiska arbete också kunde få konsekvenser för metallseparering.

"En av anledningarna till att sällsynta jordartsmetaller är hårda är att många metaller är väldigt lika varandra. Men en av egenskaperna hos en metall är att den har vissa spinnegenskaper, " säger Subotnik. "En idé är att om du vill separera metaller, du kanske kan använda spin-egenskaper, som kan vara väldigt olika."

I denna nya teoretiska ram, forskarna visar att spinn hjälper molekyler när de passerar genom instabila geometrier under en kemisk reaktion. Subotnik använder analogin med att hitta ett hemligt bergspass och hur styrande snurr kan göra det möjligt för någon att resa till en specifik plats, i detta fall en viss produkt av en kemisk reaktion, på andra sidan. "Vi visar att lite snurr kan tvinga dig att ta ett pass mot det andra med en enorm trohet, och bara lite snurr kan vägleda vilken produkt du ska göra, " han säger.

Det som är viktigt med den här idén är att en molekyls spinn kan ändras med mycket små mängder energi, och denna lilla förändring i snurr har också enorma effekter på hur en kemisk reaktion fortskrider. Medan användningen av spin to power-enheter har varit ambitionen för områden som spintronics, dess implikationer i fundamental kemi har inte undersökts i stor omfattning. "Frågan är, Kan du använda dessa riktigt små energier för att få icke -intuitiv kemi att hända, "säger Subotnik." Om jag förstår snurr och kan manipulera det, kan jag främja den ena eller andra reaktionen, att få en metall att separera snarare än en annan?"

Men det som gör denna upptäckt spännande gör också nästa steg utmanande:"Det är kraftfullt, men det är svårt att diagnostisera, " säger Subotnik. Eftersom en molekyls snurr roterar med själva molekylen och utgår i genomsnitt under experiment, det är svårt att isolera spinns effekter i labbmätningar. För att hjälpa till att validera deras resultat, Subotnik kommer att arbeta med Schelter och Jessica Anna för att genomföra uppföljande experiment och kombinera dessa data med nya teoretiska modeller.

"De senaste tillkännagivandena från Biden -administrationen och General Motors om ett grossistbyte till elektriska fordon kommer att skapa stora krav på litiumbrytning, kobolt, sällsynta jordartsmetaller, och andra kritiska metaller, säger Schelter, "Joe och Yanzes arbete har viktiga konsekvenser för fundamentalt nya och selektiva separationer av kritiska metaller som kan minska energiförbrukningen, avfall, och växthusgasproduktion i samband med gruvdrift, eller möjliggöra återvinning av kritiska metaller. "

Utöver dess implikationer för metallseparation, detta ramverk banar också väg för ett nytt paradigm om hur elektriska, snurra, och andra kemiska egenskaper skulle kunna kombineras på sätt som inte har utforskats tidigare. "Ingen har riktigt kombinerat dessa aspekter av spinn och kemi tidigare, så jag vet inte vad som kommer att hända, "Säger Subotnik." Drömmen skulle vara att du gör processen lite effektivare. Det är grundläggande vetenskap när den är som bäst."