Malgré leur nom, les éléments de terres rares ne sont en fait pas si rares. Abondant dans les mines du monde entier, les terres rares sont utilisées dans de nombreux produits de haute technologie, y compris les affichages visuels, piles, super conducteurs, et les disques durs de l'ordinateur. Mais même s'ils ne sont pas nécessairement difficiles à trouver, les éléments se produisent souvent ensemble et sont extrêmement difficiles à séparer et à extraire.

"Avoir la capacité de récupérer les terres rares est important car elles sont finies mais très demandées, " a déclaré Monica Olvera de la Cruz de la Northwestern University. "Pour les extraire, nous en avons besoin pour se disperser et se séparer, mais ils ont tendance à s'agréger et à s'agglutiner."

Olvera de la Cruz et son équipe s'efforcent de mieux comprendre pourquoi les terres rares sont fortement attirées les unes vers les autres sur de longues distances, rendant la séparation et l'extraction péniblement difficiles. Une série de simulations moléculaires suggèrent, pour la première fois, que le milieu dans lequel les éléments sont suspendus - en plus des éléments eux-mêmes - est en partie responsable de la forte attraction. Cette découverte pourrait potentiellement accélérer la récupération des terres rares, Plus facile, et moins cher.

Parrainé par le ministère américain de l'Énergie, la recherche a été publiée récemment dans Lettres d'examen physique . Meng Shen, stagiaire postdoctoral dans le laboratoire d'Olvera de la Cruz, a été le premier auteur de l'article. L'étudiant diplômé Honghao Li a également contribué au travail.

Les terres rares sont un ensemble de 17 éléments chimiques au bas du tableau périodique. Parce que la plupart des éléments ont chacun +3 charges dans leurs structures ioniques, ils sont notoirement difficiles à séparer.

"Ils deviennent très concentrés, " dit Olvera de la Cruz, le professeur Lawyer Taylor de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering de Northwestern. "Si nous pouvions comprendre pourquoi ils s'attirent, nous pourrions optimiser le mécanisme d'extraction."

Le processus de séparation long et coûteux nécessite des centaines d'étapes et des solvants chimiques toxiques. Pour séparer les éléments, les ingénieurs les encapsulent dans des nanogouttelettes d'eau auto-assemblées immergées dans l'huile. Les ingénieurs utilisent alors des tensioactifs, qui saisissent les éléments de l'eau et les tirent dans l'huile. Mais quand les gouttelettes d'eau sont en suspension dans l'huile, les gouttelettes sont fortement attirées les unes vers les autres et s'agrègent.

"Des expériences antérieures et des calculs d'atomes complets ont révélé que ces gouttelettes interagissent fortement à toutes les grandes distances, " dit Shen. " Malheureusement, ces études n'ont pas révélé l'origine de ces interactions."

Dans une étude théorique, L'équipe d'Olvera de la Cruz a découvert que le mélange d'huile et d'eau joue un rôle majeur.

« Une particularité de ces émulsions est que l'interface entre les deux milieux donne lieu à une polarisation de surface, " a expliqué Olvera de la Cruz. " Cette polarisation de surface contribue aux interactions entre les gouttelettes. "

"Nous pensions que la polarisation de la charge induite apporterait une contribution mineure à l'interaction, " a déclaré Shen. "Mais nous avons constaté que la charge induite de la polarisation de surface apporte en fait une contribution majeure à l'interaction."

Bien que les chercheurs aient déjà étudié des nanoparticules chargées dans l'eau, ils ont généralement utilisé fixe, des approches pas à pas qui ne s'appliquaient pas à un système aussi dynamique. Olvera de la Cruz a contourné ce problème en développant une approche informatique.

"La charge des gouttelettes est déterminée par la polarisation, et la polarisation est déterminée par la charge, ", a-t-elle déclaré. "Nous avons développé une technique qui pourrait déterminer simultanément la polarisation de charge et la réponse du milieu."

Dans une tournure surprenante, l'équipe a également découvert que la découverte ne s'applique qu'aux gouttelettes d'eau dans l'huile. Lorsque l'inverse se produit - gouttelettes d'huile en suspension dans l'eau - la charge induite est répulsive et l'attraction est réduite. Cette meilleure compréhension des émulsions peut être appliquée à la séparation des terres rares ainsi que d'autres éléments, y compris l'élimination des métaux radioactifs et des déchets nucléaires.