Швейцары для ионов: как искусственные мембраны отбирают редкоземельные элементы
Редкоземельные элементы — основа современных технологий: от аккумуляторов электромобилей до смартфонов.
Схематичное изображение синтетических нанопор для селективного транспорта ионов. Источник: The University of Texas at Austin
Но их добыча сложна, энергозатратна, а США и Европа зависят от импорта.
Ученые из Техасского университета в Остине нашли способ добывать их эффективнее и экологичнее — вдохновляясь природой.
Исследователи создали искусственные мембранные каналы — микроскопические поры, которые работают как биологические транспортные белки.
Они пропускают только нужные ионы, отсеивая лишние.
В основе — модифицированная структура пилларен, которая избирательно связывает редкоземельные элементы, например, европий (Eu³⁺) и тербий (Tb³⁺), игнорируя натрий, калий и кальций.
Почему это важно
- Средние редкоземельные элементы (европий, тербий) критичны для зеленой энергетики, экранов и магнитов.
- Спрос на них к 2035 году вырастет на 2600%, а традиционные методы добычи требуют десятков этапов очистки.
Эксперименты показали: искусственные каналы в 40 раз эффективнее отделяют европий от лантана (легкий элемент) и в 30 раз — от иттербия (тяжелый). Это намного лучше растворительных методов.
Компьютерное моделирование раскрыло секрет: селективность зависит от гидратации — как молекулы воды взаимодействуют с ионами.
Природа давно научилась избирательному транспорту, — говорит профессор Венкат Ганесан.
Наши каналы — как крошечные швейцары, пропускающие только «своих».
Технологию можно масштабировать для промышленности, используя чистую энергию. В планах — адаптация для добычи лития, кобальта и других критичных минералов.
Это первый шаг к переносу природных механизмов в промышленность, — отмечает Харекрушна Бехера, участник проекта.
Этот метод — прорыв в устойчивой добыче ресурсов. Он решает три ключевые проблемы:
- Энергоэффективность — традиционные методы требуют огромных затрат, а мембраны работают при меньших энергозатратах.
- Экологичность — меньше токсичных растворителей и отходов.
- Геополитическая независимость — снижение зависимости от Китая, который контролирует 80% рынка редкоземельных металлов.
Дополнительный плюс — гибкость технологии. Если научиться настраивать каналы под разные ионы, метод можно применять для извлечения лития (аккумуляторы) или даже очистки воды.
Ранее мы объяснили простыми словами, что такое редкоземельные металлы.
