Derrière les appareils qui façonnent la vie moderne se cache un éventail de matériaux naturels et fabriqués par l'homme. L'un de ces composants des smartphones et des ordinateurs sont les métaux des terres rares, un groupe de 17 éléments qui, car on ne les trouve pas dans les gisements concentrés, nécessitent des méthodes énergivores et toxiques pour être extraites. Bien que le recyclage des métaux des terres rares des appareils usagés soit un moyen de soulager les chaînes d'approvisionnement tendues et de réduire les dommages environnementaux, la chimie fondamentale requise pour séparer et réutiliser efficacement ces métaux reste un défi.

Maintenant, de nouvelles recherches fournissent un cadre théorique qui pourrait changer le paradigme de la séparation des produits chimiques. L'étudiant diplômé Yanze Wu et le professeur Joseph Subotnik décrivent dans Communication Nature comment le spin d'une molécule peut être utilisé pour contrôler une réaction chimique. Sur la base de ce concept, les futures expériences menées par le Centre pour la séparation durable des métaux (CSSM) pourraient aider les chercheurs à développer des moyens plus économes en énergie pour purifier et recycler des matériaux rares tels que les métaux des terres rares.

Le but de la CSSM, créé en 2019 et dirigé par une équipe de chimistes Penn, est de développer des méthodes de séparation chimique qui rendent le processus de recyclage des métaux des produits de consommation plus rentable. CSSM regroupe des groupes de chimie théorique et expérimentale, dans le but de mener une recherche fondamentale qui fournit des éléments créatifs, des solutions scientifiques à la crise de la chaîne d'approvisionnement en métaux des terres rares.

Subotnik, un chimiste théoricien, travaillait auparavant sur des questions liées à la photochimie et souhaitait comprendre l'impact de la lumière sur les molécules. En essayant de mieux comprendre la dynamique des réactions photochimiques, lui et Wu ont commencé à postuler le rôle du spin lors des changements induits par la lumière dans l'état énergétique d'une molécule. Après avoir passé un an à approfondir ce domaine d'étude, Subotnik s'est rendu compte lors de conversations avec le directeur du CSSM, Eric Schelter, que ce travail théorique pourrait également avoir des implications pour la séparation des métaux.

"L'une des raisons pour lesquelles la séparation des métaux des terres rares est difficile est que de nombreux métaux sont très similaires les uns aux autres. Mais l'une des propriétés d'un métal est qu'il a certaines propriétés de spin, " dit Subotnik. " Une idée est que si vous voulez séparer les métaux, vous pourrez peut-être utiliser les propriétés de rotation, ce qui peut être très différent."

Dans ce nouveau cadre théorique, les chercheurs montrent que le spin aide les molécules lorsqu'elles traversent des géométries instables au cours d'une réaction chimique. Subotnik utilise l'analogie de trouver un col de montagne secret et comment contrôler la rotation pourrait permettre à quelqu'un de se rendre à un endroit spécifique, dans ce cas un produit particulier d'une réaction chimique, d'un autre côté. "Nous montrons qu'un peu de rotation peut vous forcer à faire une passe contre l'autre avec une fidélité énorme, et juste un peu de rotation peut guider quel produit vous allez faire, " il dit.

Ce qui est important dans cette idée, c'est que le spin d'une molécule peut être modifié en utilisant de très petites quantités d'énergie, et ce petit changement de spin a également d'énormes effets sur le déroulement d'une réaction chimique. Alors que l'utilisation du spin pour alimenter des appareils a été l'ambition de domaines comme la spintronique, ses implications en chimie fondamentale n'ont pas été largement explorées. "La question est, Pouvez-vous utiliser ces très petites énergies pour faire de la chimie non intuitive, " dit Subotnik. " Si je comprends le spin et que je peux le manipuler, pourrais-je favoriser une réaction ou l'autre, pour séparer un métal plutôt qu'un autre ?"

Mais ce qui rend cette découverte passionnante rend également les prochaines étapes difficiles :« C'est puissant, mais c'est difficile à diagnostiquer, " dit Subotnik. Parce que le spin d'une molécule tourne avec la molécule elle-même et fait la moyenne pendant les expériences, il est difficile d'isoler les impacts du spin dans les mesures en laboratoire. Pour aider à valider leurs conclusions, Subotnik travaillera avec Schelter et Jessica Anna pour mener des expériences de suivi et combiner ces données avec de nouveaux modèles théoriques.

"Les récentes annonces de l'administration Biden et de General Motors pour un passage en gros aux véhicules électriques créeront d'énormes demandes pour l'extraction de lithium, cobalt, terres rares, et d'autres métaux critiques, " dit Schelter, "Les travaux de Joe et Yanze ont des implications importantes pour des séparations fondamentalement nouvelles et sélectives de métaux critiques qui pourraient réduire la consommation d'énergie, déchets, et la production de gaz à effet de serre associés à l'exploitation minière, ou permettre le recyclage des métaux critiques."

Au-delà de ses implications pour la séparation des métaux, ce cadre ouvre également la voie à un nouveau paradigme sur la façon dont l'électricité, tournoyer, et d'autres propriétés chimiques pourraient être combinées d'une manière qui n'a jamais été explorée auparavant. "Personne n'a vraiment combiné ces aspects du spin et de la chimie auparavant, donc je ne sais pas ce qui va se passer, " dit Subotnik. " Le rêve serait que vous rendiez un processus beaucoup plus efficace. C'est la science fondamentale à son meilleur."