Przemysł wysokich technologii ma poważny problem surowcowy. Niektóre metale, niezbędne do produkcji smartfonów, samochodów elektrycznych czy turbin wiatrowych, są nie tylko rzadkie, ale też wyjątkowo kłopotliwe w wydobyciu i recyklingu. Tradycyjne metody ich separacji są skomplikowane, energochłonne i szkodliwe dla środowiska. Czy jednak można to zrobić prościej i czyściej? Badacze z Penn State University twierdzą, że tak. Ich najnowsze odkrycie dotyczy zmodyfikowanej celulozy, która potrafi wyłowić z mieszaniny metali cenny dysproz. Jeśli to podejście sprawdzi się w praktyce, mogłoby znacząco uprościć odzysk strategicznych surowców i ograniczyć negatywny wpływ na planetę.
Dlaczego dysproz jest tak ważny w dzisiejszych czasach?
Dysproz nie jest pierwiastkiem powszechnie znanym, ale jego znaczenie dla współczesnej technologii trudno przecenić. Należy do ciężkich pierwiastków ziem rzadkich i jest kluczowym składnikiem szczególnie wydajnych magnesów neodymowych. To właśnie dzięki niemu magnesy stosowane w silnikach elektrycznych i generatorach wiatrowych nie tracą swoich właściwości w podwyższonych temperaturach. Dysproz wykorzystuje się również w energetyce jądrowej do stabilizacji prętów kontrolnych oraz w elektronice, gdzie podnosi wydajność półprzewodników.
Czytaj też: Jak nauczyć robota dotyku? Takiej precyzyjnej dłoni robotycznej jeszcze świat nie widział
Aktualnie globalne zapotrzebowanie na ten surowiec rośnie w tempie, które niepokoi ekspertów. Jak zauważa Amir Sheikhi z Penn State, “w miarę postępu technologicznego producenci będą potrzebować coraz więcej dysprozu – niektóre prognozy szacują, że zapotrzebowanie na ten materiał może wzrosnąć o ponad 2500% w ciągu najbliższych 25 lat”. Tak drastyczny skok oznacza, że bez opracowania efektywnych metod recyklingu i pozyskiwania dysprozu, branża technologiczna może wkrótce odczuć dotkliwe braki tego surowca.
W tym wszystkim dysproz i neodym są chemicznie tak podobne, że klasyczne metody “widzą” je niemal jak jeden materiał. W praktyce kończy się to długimi łańcuchami operacji, wysoką energochłonnością oraz strumieniami odpadów, których neutralizacja kosztuje i środowiskowo, i finansowo.
Nanotechnologia z drewna kluczem do efektywnego recyklingu
Rozwiązanie zaproponowane przez amerykański zespół naukowców łączy w sobie prostotę natury z zaawansowaną nanotechnologią. Punktem wyjścia jest zwykła celuloza, a więc podstawowy budulec ścian komórkowych roślin. Poddana specjalnej obróbce na poziomie molekularnym, przekształca się w anionowe, włochate nanokryształy celulozy. Każdy z tych kryształów ma zaledwie 100 nanometrów długości.
Czytaj też: Nowe badania wywracają podręcznik metalurgii. Ten rozgrzany metal staje się twardszy, a nie miększy
Gdy taki nanomateriał trafia do wodnego roztworu zawierającego jony różnych metali, zaczyna działać niczym inteligentny filtr. W testach, do których dodano mieszaninę neodymu i dysprozu, nanoceluloza niemal bezbłędnie wychwytywała jony dysprozu, pomijając inne pierwiastki. Co ciekawe, mechanizm tej selektywności okazał się dla badaczy pewnym zaskoczeniem. Okazało się, że decydujące znaczenie ma nie tylko chemia powierzchni nanokryształów, ale przede wszystkim ich precyzyjna struktura przestrzenna. Działa to na zasadzie dopasowania, bo dysproz idealnie pasuje do utworzonej przez celulozę struktury.
Prostota nowego filtra jako przewaga
Konwencjonalne technologie separacji pierwiastków ziem rzadkich to zazwyczaj skomplikowane i kosztowne instalacje przemysłowe. Procesy te wymagają użycia toksycznych rozpuszczalników, pracy w wysokich temperaturach i pod ciśnieniem, a to z kolei generuje znaczne ilości odpadów i pochłania ogromne ilości energii. Procedura zaproponowana przez naukowców z Penn State prezentuje się przy tym wyjątkowo skromnie. Jej sedno sprowadza się do dodania opracowanej nanocelulozy do roztworu zawierającego metale. Materiał samoczynnie adsorbuje jony dysprozu, a następnie może być łatwo oddzielony. Nie ma potrzeby stosowania skomplikowanej aparatury ani niebezpiecznych chemikaliów.
Czytaj też: Naukowcy zbudowali sztuczne oko inspirowane owadami. Drony dostaną zmysł, który trudno będzie zaskoczyć
Warto dodać, że to nie jest pierwsze podejście tego zespołu do odzyskiwania metali ziem rzadkich za pomocą pochodnych celulozy. Wcześniej badacze skupili się na wydobywaniu neodymu ze zużytej elektroniki. Obecne osiągnięcie jest jednak bardziej ambitne, ponieważ dotyczy separacji pierwiastków o bardzo zbliżonych właściwościach chemicznych.
Co dalej z roślinną nanotechnologią?
Wyniki badań opublikowane w renomowanym czasopiśmie Advanced Functional Materials wskazują na interesujący kierunek rozwoju technologii recyklingu. Gdyby udało się wdrożyć tę metodę na skalę przemysłową, mogłaby ona wpłynąć na globalny rynek pierwiastków ziem rzadkich, obecnie zdominowany przez Chiny, i zwiększyć bezpieczeństwo surowcowe wielu krajów. Przed zespołem stoi jednak długa droga. Kolejne kroki obejmują dalsze udoskonalanie materiału oraz testy jego skuteczności w wychwytywaniu innych metali. Największym wyzwaniem będzie jednak udane przeskalowanie procesu z warunków laboratoryjnych do przemysłowych, przy zachowaniu jego wydajności i ekonomicznej opłacalności.