Apesar do nome, elementos de terras raras, na verdade, não são tão raros. Abundante em minas ao redor do mundo, terras raras são usadas em muitos produtos de alta tecnologia, incluindo exibições visuais, baterias, super condutores, e discos rígidos de computador. Mas embora não sejam necessariamente difíceis de encontrar, os elementos costumam ocorrer juntos e são extremamente difíceis de separar e extrair.

"Ter a capacidade de recuperar terras raras é importante porque elas são finitas, mas em alta demanda, "disse Monica Olvera de la Cruz da Northwestern University." Para extraí-los, precisamos que eles se dispersem e se separem, mas eles tendem a se agregar e se agrupar. "

Olvera de la Cruz e sua equipe estão trabalhando para entender melhor por que as terras raras são fortemente atraídas umas pelas outras em longas distâncias, tornando a separação e extração tediosamente difíceis. Uma série de simulações moleculares sugerem, pela primeira vez, que o meio em que os elementos estão suspensos - além dos próprios elementos - é parcialmente responsável pela forte atração. Essa descoberta pode tornar a recuperação de terras raras mais rápida, mais fácil, e menos caro.

Patrocinado pelo Departamento de Energia dos EUA, a pesquisa foi publicada recentemente em Cartas de revisão física . Meng Shen, um pós-doutorado no laboratório de Olvera de la Cruz, serviu como o primeiro autor do artigo. O aluno de pós-graduação Honghao Li também contribuiu para o trabalho.

Terras raras são um conjunto de 17 elementos químicos ao longo da parte inferior da tabela periódica. Como a maioria dos elementos tem +3 cargas em suas estruturas iônicas, eles são notoriamente difíceis de separar.

"Eles ficam muito concentrados, "disse Olvera de la Cruz, o advogado Taylor Professor de Ciência e Engenharia de Materiais na McCormick School of Engineering da Northwestern. "Se pudéssemos entender por que eles se atraem, poderíamos otimizar o mecanismo de extração. "

O processo de separação demorado e caro requer centenas de etapas e solventes químicos tóxicos. Para separar os elementos, os engenheiros os encapsulam em nanogotículas auto-montadas de água imersa em óleo. Os engenheiros então usam surfactantes, que pegam os elementos da água e os puxam para o óleo. Mas quando as gotas de água estão suspensas no óleo, as gotas são fortemente atraídas umas pelas outras e se agregam.

"Experimentos anteriores e cálculos de átomo completo revelaram que essas gotículas interagem fortemente em todas as grandes distâncias, "Shen disse." Infelizmente, esses estudos não revelaram a origem dessas interações. "

Em um estudo teórico, A equipe de Olvera de la Cruz descobriu que o meio misturado de óleo e água desempenha um papel importante.

"Uma característica única dessas emulsões é que a interface entre os dois meios dá origem à polarização da superfície, "Olvera de la Cruz explicou." Essa polarização da superfície contribui para as interações entre as gotas. "

"Nós pensamos que a polarização da carga induzida daria uma pequena contribuição para a interação, "Shen disse." Mas descobrimos que a carga induzida da polarização da superfície realmente dá uma grande contribuição para a interação. "

Embora os pesquisadores já tenham estudado nanopartículas carregadas na água, eles normalmente usavam fixos, abordagens passo a passo que não se aplicavam a um sistema tão dinâmico. Olvera de la Cruz contornou esse problema desenvolvendo uma abordagem computacional.

“A carga das gotículas é determinada pela polarização, e a polarização é determinada pela carga, "ela disse." Nós desenvolvemos uma técnica que poderia determinar a polarização da carga e a resposta do meio simultaneamente. "

Em uma reviravolta surpreendente, a equipe também descobriu que a descoberta se aplica apenas a gotículas de água no óleo. Quando ocorre o inverso - gotículas de óleo suspensas na água - a carga induzida é repulsiva e a atração é reduzida. Esta melhor compreensão das emulsões pode ser aplicada para separar terras raras, bem como outros elementos, incluindo a remoção de metais radioativos e resíduos nucleares.