Les métaux des terres rares sont indispensables pour de nombreux produits techniques, des smartphones, ordinateurs portables, batteries, moteurs électriques et éoliennes aux catalyseurs. Dans la revue Angewandte Chemie , une équipe japonaise vient d'introduire une "cage" moléculaire avec des "bouchons" qui peuvent être utilisés pour "confiner" sélectivement certains ions de métaux de terres rares pour les isoler ou les recycler.

Les éléments de terres rares comprennent 17 métaux :le scandium, l'yttrium, le lanthane et les lanthanides, les 14 éléments qui suivent le lanthane dans le tableau périodique, dont le néodyme et l'europium. Le nom est trompeur car les métaux des terres rares ne sont pas réellement rares. Ils sont partout dans l'environnement mais sont fortement dispersés et liés dans les minéraux ("terres"); les gros gisements sont rares. Récupérer ces éléments des déchets électroniques devient de plus en plus important. Certains micro-organismes ont été découverts qui contiennent des enzymes avec des métaux de terres rares. Ceux-ci pourraient être utiles dans l'extraction et la récupération et inspirer l'utilisation de métaux de terres rares comme catalyseurs.

Les ions de métaux de terres rares sont également présents dans les masses d'eau et dans les effluents. Cependant, ils sont difficiles à séparer individuellement des solutions aqueuses. L'une des raisons en est qu'ils sont généralement hydratés, ce qui signifie qu'ils sont liés aux molécules d'eau. Leurs états d'hydratation sont différents et peuvent changer. Cela rend plus difficile l'identification et l'isolement des ions par liaison aux ligands.

Une équipe dirigée par Makoto Fujita de l'Université de Tokyo et de l'Institut des sciences moléculaires est désormais parvenue à "confiner" les formes hydratées d'ions trivalents d'une série de métaux de terres rares dans des "cages" fermées. Chaque molécule de cage est constituée de quatre ligands organiques en forme de "plaques" triangulaires qui sont reliées par leurs pointes à six ions palladium pour former une cage octaédrique avec deux grandes ouvertures. L'ion de métal de terre rare s'insère dans la cage avec ses neuf molécules d'eau liées. La caractéristique essentielle de la cage sont ses deux "bouchons" qui recouvrent les ouvertures. Ce sont des molécules planes avec trois bras de liaison chargés négativement qui se lient aux molécules d'eau de l'ion de terre rare par des ponts hydrogène. De plus, ils sont maintenus serrés par des interactions électrostatiques avec les ions palladium chargés positivement dans la cage.

Tous les ions de métaux de terres rares ne sont pas capturés de la même manière par ce système. Des différences subtiles dans leurs rayons et leurs modes d'hydratation préférés déterminent leur intégration dans les cages :le lanthane et les premiers lanthanides, tels que l'europium, sont liés beaucoup plus fortement que les derniers lanthanides, comme l'ytterbium. Le scandium, par exemple, n'a que six molécules d'eau liées à lui et ne peut pas trouver une position stable dans la cage. Il tient donc à peine en place.

Le confinement d'espèces métalliques hydrophiles dans une cavité fermée pourrait être une approche pour l'isolement des métaux de terres rares, ainsi que pour le développement de nouveaux catalyseurs analogues aux enzymes contenant des métaux (métallozymes) dans les microorganismes. + Explorer plus loin

Du compost à l'ordinateur :des matériaux biosourcés utilisés pour récupérer les éléments de terres rares