p Por trás dos dispositivos que moldam a vida moderna está uma variedade de materiais naturais e feitos pelo homem. Um desses componentes de smartphones e computadores são metais de terras raras, um grupo de 17 elementos que, porque eles não são encontrados em depósitos concentrados, requerem métodos intensivos de energia e tóxicos para extrair. Embora a reciclagem de metais de terras raras de dispositivos usados ​​seja uma maneira de aliviar as cadeias de abastecimento tensas e reduzir os danos ambientais, a química fundamental necessária para separar e reutilizar com eficiência esses metais continua sendo um desafio. p Agora, novas pesquisas fornecem uma estrutura teórica que pode mudar o paradigma de como os produtos químicos são separados. O estudante de graduação Yanze Wu e o professor Joseph Subotnik descrevem em Nature Communications como a rotação de uma molécula pode ser usada para controlar uma reação química. Com base neste conceito, experimentos futuros conduzidos por meio do Centro para Separações Sustentáveis ​​de Metais (CSSM) podem ajudar os pesquisadores a desenvolver maneiras mais eficientes em termos de energia para purificar e reciclar materiais escassos, como metais de terras raras.

p O objetivo do CSSM, estabelecido em 2019 e liderado por uma equipe de químicos da Penn, é desenvolver métodos de separação química que tornem o processo de reciclagem de metais de produtos de consumo mais econômico. CSSM reúne grupos teóricos e experimentais de química, com o objetivo de realizar pesquisas fundamentais que forneçam criativos, soluções cientificamente orientadas para a crise da cadeia de suprimentos de metais de terras raras.

p Subotnik, um químico teórico, já havia trabalhado em questões relacionadas à fotoquímica e estava interessado em entender como a luz impacta as moléculas. No processo de tentar entender melhor a dinâmica das reações fotoquímicas, ele e Wu começaram a postular o papel do spin durante as mudanças induzidas pela luz no estado de energia de uma molécula. Depois de passar um ano mergulhando profundamente nesta área de estudo, Subotnik percebeu por meio de conversas com o Diretor do CSSM Eric Schelter que esse trabalho teórico também poderia ter implicações para a separação de metais.

p "Uma das razões pelas quais a separação de metais de terras raras é difícil é porque muitos metais são muito semelhantes entre si. Mas uma das propriedades de um metal é que ele tem certas propriedades de spin, "Subotnik diz." Uma ideia é que se você quiser separar metais, você pode ser capaz de usar propriedades de rotação, que pode ser muito diferente. "

p Neste novo quadro teórico, os pesquisadores mostram que o spin ajuda as moléculas à medida que passam por geometrias instáveis ​​durante uma reação química. Subotnik usa a analogia de encontrar uma passagem secreta na montanha e como controlar o giro poderia permitir que alguém viajasse para um lugar específico, neste caso, um produto específico de uma reação química, por outro lado. "Mostramos que um pouco de rotação pode forçá-lo a fazer uma passagem contra a outra com grande fidelidade, e apenas um pouco de rotação pode orientar qual produto você vai fazer, " ele diz.

p O que é significativo sobre essa ideia é que o spin de uma molécula pode ser alterado usando uma quantidade muito pequena de energia, e essa pequena mudança no spin também tem enormes efeitos sobre como ocorre uma reação química. Embora o uso de spin para alimentar dispositivos seja a ambição de campos como a spintrônica, suas implicações na química fundamental não foram amplamente exploradas. "A questão é, Você pode usar essas energias realmente pequenas para fazer a química não intuitiva acontecer, "diz Subotnik." Se eu entendo o spin e posso manipulá-lo, eu poderia promover uma reação ou outra, fazer com que um metal se separe em vez de outro? "

p Mas o que torna essa descoberta empolgante também torna as próximas etapas desafiadoras:"É poderoso, mas é difícil de diagnosticar, "Subotnik diz. Como o spin de uma molécula gira com a própria molécula e sai da média durante os experimentos, é difícil isolar os impactos do spin em medições de laboratório. Para ajudar a validar suas descobertas, Subotnik trabalhará com Schelter e Jessica Anna para conduzir experimentos de acompanhamento e combinar esses dados com novos modelos teóricos.

p "Os recentes anúncios da administração Biden e da General Motors para uma mudança no atacado para veículos elétricos criarão enormes demandas para a mineração de lítio, cobalto, Terras raras, e outros metais críticos, "diz Schelter, "O trabalho de Joe e Yanze tem implicações importantes para separações fundamentalmente novas e seletivas de metais críticos que podem reduzir o consumo de energia, desperdício, e produção de gases de efeito estufa associada à mineração, ou permitir a reciclagem de metais críticos. "

p Além de suas implicações para a separação de metais, esta estrutura também abre caminho para um novo paradigma sobre como elétrica, rodar, e outras propriedades químicas podem ser combinadas de maneiras que não foram exploradas antes. "Ninguém realmente combinou esses aspectos de spin e química antes, então eu não sei o que vai acontecer, "Subotnik diz." O sonho seria tornar algum processo muito mais eficiente. Essa é a ciência fundamental no seu melhor. "