p A mineração de superfície para elementos de terras raras usados ​​em smartphones e turbinas eólicas é difícil e raramente feita nos Estados Unidos. Os cientistas queriam saber se eles poderiam puxar os metais, presente em níveis de rastreamento, de salmouras geotérmicas usando partículas magnéticas. As partículas, envolto em uma estrutura molecular conhecida como estrutura metal-orgânica, ou MOF, deve facilmente prender os metais e deixar o resto fluir. Contudo, a equipe liderada por Pete McGrail no Pacific Northwest National Laboratory descobriu que a força magnética caiu 70 por cento após a formação da cápsula MOF. p O uso de MOFs pode permitir a separação de ítrio, escândio, e outros elementos de água salina de fontes geotérmicas, produziu águas de campos de petróleo e gás, ou resíduos como cinzas volantes. "Esses elementos têm muitas aplicações - refino de petróleo, monitores de computador, ímãs em turbinas eólicas, "disse Praveen Thallapally, a liderança do projeto de materiais no estudo. "Agora mesmo, 99 por cento dessas terras raras são importadas para os EUA. "

p O conhecimento fundamental obtido com essa pesquisa mostra por que esse MOF afetou tanto a força magnética e oferece ideias sobre métodos para evitar esses problemas.

p Os cientistas começaram com um MOF chamado Fe3O4 @ MIL-101-SO3. Ele contém íons de cromo conectados por ligantes orgânicos. O processo de síntese forma o invólucro do MOF por um processo de automontagem molecular, com o MOF construindo uma camada ao redor das partículas do núcleo de magnetita. Os pesquisadores esperavam que a cápsula tivesse pouco impacto na força magnética das partículas, mas descobriram que ela caiu 70%.

p "Queríamos descobrir por quê, "disse Thallapally. Teorias abundavam, mas ninguém reuniu os materiais, perícia, e instrumentação para provar definitivamente o que estava acontecendo.

p Eles usaram recursos de imagem no EMSL, o Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais, uma instalação de usuário do DOE Office of Science localizada em PNNL. Especificamente, eles usaram microscopia eletrônica de varredura e microscopia eletrônica de transmissão para estudar a camada MOF. Eles descobriram que as partículas aumentaram de tamanho conforme o esperado. Isso significa que o problema não era a dissolução das partículas de magnetita nos líquidos usados ​​durante a síntese, uma teoria comum.

p Próximo, eles também usaram a espectroscopia 57Fe-Mössbauer para estudar o estado de oxidação do núcleo de metal. Eles encontraram uma quantidade maior de ferro férrico oxidado do que o esperado. Aprofundando mais com a tomografia de sonda atômica, a equipe descobriu que o cromo penetrou nos núcleos de ferro. Eles obtiveram mais detalhes sobre o estado de oxidação do cromo usando espectroscopia de estrutura fina de absorção de raios-X na Fonte de Luz Avançada, uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Lawrence Berkeley National Laboratory.

p No fim, a equipe mostrou que o cromo penetrava nos poros das partículas de ferro e era reduzido pela captura de um elétron do ferro, oxidando-o. A força magnética da magnetita é fortemente determinada pela quantidade de ferro ferroso versus ferro férrico (oxidado) no material. A oxidação do ferro degradou assim as propriedades magnéticas. Essas percepções fundamentais permitirão que os pesquisadores da ciência de materiais ajustem a química do MOF para evitar as indesejáveis ​​reações de oxidação-redução e reter melhor as propriedades magnéticas do material núcleo-revestimento.