Редкоземельные элементы вроде лантана, неодима и диспрозия есть в электромоторах, LED-лампах и аппаратах МРТ, но сначала их нужно добыть и отделить друг от друга — а это всегда был грязный и дорогой процесс с кучей токсичной химии. Теперь команда под руководством Чонга Лю из UChicago PME вместе с коллегами из Northwestern University и Argonne National Lab нашла чистый способ разделения, основанный на слоистом оксиде марганца и electrochemical intercalation. Работа вышла в Nature Chemical Engineering.
Хитрость в том, что ионы редкоземельных элементов в растворе окружены водной оболочкой разного размера: у лёгких, например лантана, она больше, у тяжёлых, как диспрозий, — меньше. Исследователи собрали оксид марганца так, чтобы промежутки между его слоями составляли всего несколько молекул воды. Когда туда запускали смесь, тяжёлые ионы с компактной оболочкой застревали в каналах, а лёгкие раздвигали слои и проходили — смесь разделялась на группы. Достоверность картины на молекулярном уровне подтвердили квантово-механическими расчётами методом density functional theory в группе Джорджа Шатца из Northwestern University и синхротронными рентгеновскими данными от Argonne National Lab.
Для более тонкой настройки — разделения очень похожих пар, таких как неодим и лантан, — в систему добавили ионы магния и пустили электрический ток. Магний действовал как распорка и жёстко фиксировал ширину канала (эффект назвали pinning). Даже ничтожная разница в поведении оболочки превращалась в заметный контраст по силе связывания. В результате обогащение неодима относительно лантана подскочило с 1.6 до 5.4 раз, а после двух циклов очистки получали неодим чистотой 97%. Похожий прирост селективности наблюдали и для других элементов.
Главное преимущество метода — всё происходит в воде, без органических растворителей. «Такое разделение конкурентоспособно с существующими способами, но именно отсутствие органики может реально изменить картину при масштабировании», — пояснил Джордж Шатц. Пока технология не готова заменить промышленную очистку, однако она задаёт общий принцип: изменяя ширину ионного канала, материал можно заставить выбирать нужный элемент, даже если они отличаются на доли ангстрема. Теперь группа Чонга Лю проверяет подход на других лантанидах, а Шатц уточняет расчётные модели, чтобы количественно описать эффект pinning.