يستخدم العلماء الأمريكيون القنوات الذرية لتنقية العناصر الأرضية النادرة بدون مذيبات سامة
تعمل العناصر الأرضية النادرة على تشغيل كل شيء بدءًا من محركات السيارات الكهربائية وتوربينات الرياح وحتى ماسحات التصوير بالرنين المغناطيسي والهواتف الذكية. ومع ذلك، قبل أن يتم استخدامها، يجب فصل العناصر الأرضية النادرة المتطابقة تقريبًا عن بعضها البعض – وهي عملية تعتمد على كميات هائلة من الأحماض والمذيبات العضوية، مما يجعلها واحدة من أقذر الخطوات وأكثرها تكلفة في سلسلة التوريد. ويشير مؤلفو الدراسة إلى أن “العناصر الأرضية النادرة عالية النقاء ضرورية للتقنيات الحديثة، ومع ذلك فإن عمليات استخلاص المذيبات الحالية تستهلك الكثير من الطاقة وتضر بالبيئة بسبب الانتقائية غير الكافية وسمية اللجند”. والآن، في دراسة حديثة، أظهر فريق من الباحثين الأمريكيين نهجا مختلفا. أكسيد المنغنيز ذو الطبقات التي تفصل قنواتها النانوية العناصر الأرضية النادرة بناءً على حجم قذائف الماء المحيطة بها. وتشير الدراسة إلى أن المواد المصممة بعناية يمكن أن تجعل في يوم من الأيام عملية تكرير الأتربة النادرة أكثر نظافة. لماذا يصعب فصل العناصر الأرضية النادرة لعقود من الزمن، ظل فصل العناصر الأرضية النادرة أحد أكبر الاختناقات في سلسلة التوريد العالمية. العناصر الأرضية النادرة السبعة عشر – بما في ذلك اللانثانيدات الخمسة عشر، بالإضافة إلى السكانديوم والإيتريوم – توجد دائمًا معًا في الطبيعة. وقال جيادونغ ليو، أحد مؤلفي الدراسة وطالب دراسات عليا في جامعة شيكاغو: “تأتي الأتربة النادرة دائمًا مختلطة معًا، سواء كانت في خام أو في مجرى نفايات، وفصلها عن بعضها البعض هو خطوة ثانية صعبة للغاية حتى بعد سحبها بعيدًا عن أي شيء آخر”. لقد استكشفت الأبحاث السابقة أغشية جديدة، وجزيئات انتقائية، وأساليب كهروكيميائية لجعل عملية التكرير أكثر نظافة، ولكن التمييز بين العناصر التي تختلف خصائصها بأجزاء صغيرة فقط ظل صعبًا للغاية. بدلاً من تصميم مواد كيميائية جديدة للتعرف على كل عنصر، تحول الباحثون في الدراسة الجديدة إلى البنية الفيزيائية للمعادن ذات الطبقات، مما سمح للمادة نفسها بالقيام بالكثير من عملية الفرز. وقال تشونغ ليو، أحد مؤلفي الدراسة والأستاذ في جامعة شيكاغو: “هذه هي المرة الأولى التي يستخدم فيها الناس الإقحام الكهروكيميائي وتسخير الخصائص الهيكلية لفصل اللانثانيدات المماثلة، والتي يصعب فصلها في جوهرها”. معدن ذو قنوات تقوم بالفرز بدلاً من الاعتماد على المذيبات العضوية، بنى مؤلفو الدراسة نهجهم حول شكل طبقات من أكسيد المنغنيز. تشكل المادة بشكل طبيعي أكوامًا ذات مساحات ضيقة، أو قنوات، بين طبقاتها. لا تمثل هذه المساحات سوى عدد قليل من جزيئات الماء، وهي صغيرة بما يكفي للتمييز بين الأيونات الأرضية النادرة بناءً على كيفية انتقالها عبر الماء. تبين أن هذه التفاصيل البسيطة تبدو حاسمة. على الرغم من أن العناصر الأرضية النادرة تتصرف بشكل مماثل كيميائيًا، إلا أن كل أيون مذاب يحمل غلافًا من جزيئات الماء حوله. تحتوي العناصر الأرضية النادرة الأخف وزنًا، مثل اللانثانم، على غلاف مائي أكبر قليلًا، بينما تحمل العناصر الأثقل مثل الديسبروسيوم غلافًا أكثر إحكاما. الفرق صغير بشكل لا يصدق، لكن الباحثين أدركوا أنه يمكن أن يصبح ذا معنى إذا تم تصميم القنوات الموجودة داخل المادة بالأبعاد الصحيحة. عندما تم إدخال خليط من العناصر الأرضية النادرة في طبقات أكسيد المنغنيز، فإن العناصر الأثقل – مع أصدافها المائية الأصغر – تتلاءم بشكل أكثر راحة داخل القنوات الضيقة وترتبط بإحكام بالمادة. قامت العناصر الأخف، التي تحمل قذائف مائية أكبر حجمًا، بدفع الطبقات عن بعضها البعض عند دخولها. أدى هذا التمدد إلى إضعاف تفاعلها مع المادة، مما أدى إلى تقسيم الخليط بشكل طبيعي إلى مجموعات أثقل وأخف وزنًا دون استخدام المذيبات التقليدية. النظر داخل المادة، ذرة بعد ذرة لفهم سبب نجاح الفصل بالضبط، قام الباحثون بدمج التجارب مع النمذجة الحاسوبية المتقدمة. استخدموا نظرية الكثافة الوظيفية، وهي تقنية محاكاة ميكانيكية كمومية تتنبأ بكيفية تصرف الذرات والإلكترونات، لفحص ترتيب جزيئات الماء حول كل أيون أرضي نادر داخل القنوات المحصورة. وفي الوقت نفسه، قام العلماء في مختبر أرجون الوطني بجمع قياسات الأشعة السينية السنكروترونية لمراقبة المادة تجريبيًا. وأكد التوافق الملحوظ بين عمليات المحاكاة وبيانات الأشعة السينية أن الاختلافات الصغيرة في الأغلفة المائية كانت هي التي تحرك سلوك الارتباط الانتقائي، مما يوفر تفسيرًا على المستوى الذري لم تتمكن التجارب وحدها من الكشف عنه بشكل مباشر. نجح النظام الأولي في فصل العناصر الأرضية النادرة الأخف عن العناصر الأثقل، لكن العديد من العناصر المجاورة ذات الأهمية التجارية ظلت متشابهة للغاية بحيث لا يمكن تمييزها بكفاءة. ولحل هذه المشكلة، أدخل الباحثون أيونات المغنيسيوم وطبقوا تيارًا كهربائيًا. تعمل أيونات المغنيسيوم مثل الأقواس المجهرية داخل أكسيد المنغنيز. عادة، عندما تدخل أيونات مائية أكبر إلى المادة ذات الطبقات، فإنها تجبر القنوات على التوسع. وقد منع المغنيسيوم هذا التوسع من خلال ما يسميه الباحثون تأثير “التثبيت”، الذي يثبت المسافة بين الطبقات في مكانها. وأضاف سيكي زو، أحد مؤلفي الدراسة ومساعد باحث من جامعة شيكاغو: “من خلال تثبيت القناة بحيث لا يمكنها التوسع على الإطلاق، أجبرنا هذا الاختلاف البسيط في السلوك على أن يصبح فرقًا أكبر بكثير في مدى قوة ارتباط كل عنصر”. وبمجرد أن لم تعد القنوات قادرة على التمدد، فإن الاختلافات الصغيرة في حجم الماء تُترجم إلى اختلافات أكبر بكثير في مدى قوة ارتباط كل عنصر أرضي نادر بالمادة. أدى هذا التعديل البسيط إلى تحسين الأداء بشكل كبير. زاد إثراء النيوديميوم على اللانثانوم من فارق 1.6 مرة إلى 5.4 مرة. وبعد دورتين فقط من التنقية، أنتج الباحثون نيوديميوم نقي بنسبة 97%. ولوحظت مكاسب مماثلة بالنسبة لمجموعات أرضية نادرة أخرى، مما يشير إلى أن التحكم في حجم القناة يمكن أن يصبح استراتيجية عامة لفصل العناصر التي قاومت التنقية الفعالة لفترة طويلة. قاعدة تصميم جديدة لفصل الأتربة النادرة يؤكد الباحثون أن التكنولوجيا لا تزال في مرحلة إثبات المفهوم وليست جاهزة لتكرير الأتربة النادرة تجاريًا. ومع ذلك، إذا ثبت نجاحها على نطاق واسع في المستقبل، فقد تحدث تغييرًا جذريًا في صناعة معالجة العناصر الأرضية النادرة. وقال جورج شاتز، أحد مؤلفي الدراسة وأستاذ الكيمياء في جامعة نورث ويسترن: “في الوقت الحالي، يتم استخراج الخامات الأرضية النادرة في جميع أنحاء العالم، ولكن ينتهي الأمر بجميعها تقريبًا إلى الخارج للمعالجة. إن طريقة مثل هذه التي تستخدم الماء والكهرباء فقط بدلاً من المذيبات العضوية هي نوع من التكنولوجيا التي يمكن أن تغير بالفعل كيفية ومكان إجراء هذه المعالجة”. تتضمن الخطوات التالية اختبار الطريقة عبر المزيد من أزواج اللانثانيدات، وتحسين كفاءة الفصل، وتقييم متانة المادة على المدى الطويل، وتحسين النماذج الحسابية لفهم آلية “تثبيت” المغنيسيوم بشكل أفضل. وبعيدًا عن العناصر الأرضية النادرة، تضع الدراسة مبدأ تصميمًا أوسع لفصل الأيونات. ومن خلال ضبط القنوات النانوية بدقة لاستغلال الاختلافات في أغلفة الماء – وهي اختلافات أصغر من الأنجستروم – يمكن في النهاية تكييف مواد مماثلة لعمليات فصل صعبة أخرى، بما في ذلك إعادة تدوير البطاريات واستعادة المعادن المهمة. ونشرت الدراسة في مجلة الطبيعة للهندسة الكيميائية.
تم النشر: 2026-07-25 17:39:00
