L'extraction à ciel ouvert d'éléments de terres rares utilisés dans les smartphones et les éoliennes est difficile et rarement réalisée aux États-Unis. Les scientifiques voulaient savoir s'ils pouvaient tirer les métaux, présent à l'état de traces, à partir de saumures géothermiques utilisant des particules magnétiques. Les particules, enveloppé dans une enveloppe de charpente moléculaire connue sous le nom de charpente métallo-organique, ou MOF, devrait facilement piéger les métaux et laisser le reste s'écouler. Cependant, l'équipe dirigée par Pete McGrail du Pacific Northwest National Laboratory a découvert que la force magnétique avait chuté de 70 % après la formation de l'obus MOF.

L'utilisation de MOF peut permettre la séparation de l'yttrium, scande, et d'autres éléments de l'eau saline de sources géothermiques, les eaux produites à partir des champs de pétrole et de gaz, ou des déchets tels que les cendres volantes. « Ces éléments ont de nombreuses applications :raffinage du pétrole, écrans d'ordinateur, aimants dans les éoliennes, " a déclaré Praveen Thallapally, la conception des matériaux mène l'étude. "À l'heure actuelle, 99% de ces terres rares sont importées aux États-Unis."

Les connaissances fondamentales acquises grâce à cette recherche montrent pourquoi ce MOF a tellement affecté la force magnétique et offre un aperçu des méthodes permettant d'éviter ces problèmes.

Les scientifiques ont commencé avec un MOF appelé Fe3O4@MIL-101-SO3. Il contient des ions chrome reliés par des ligands organiques. Le processus de synthèse forme la coque du MOF par un processus d'auto-assemblage moléculaire, le MOF constituant une couche autour des particules de noyau de magnétite. Les chercheurs s'attendaient à ce que la coque ait peu d'impact sur la force magnétique des particules, mais ont constaté qu'elle avait chuté de 70 %.

"Nous voulions comprendre pourquoi, " dit Thallapally. Les théories abondaient, mais personne n'avait rassemblé les matériaux, compétence, et l'instrumentation pour prouver définitivement ce qui se passait.

Ils ont utilisé les capacités d'imagerie de l'EMSL, le Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement, une installation utilisateur du DOE Office of Science située au PNNL. Spécifiquement, ils ont utilisé la microscopie électronique à balayage et la microscopie électronique à transmission pour étudier la coque MOF. Ils ont constaté que la taille des particules augmentait comme prévu. Cela signifiait que le problème n'était pas les particules de magnétite se dissolvant dans les liquides utilisés lors de la synthèse, une théorie commune.

Prochain, ils ont également utilisé la spectroscopie 57Fe-Mössbauer pour étudier l'état d'oxydation du noyau métallique. Ils ont trouvé une plus grande quantité de fer ferrique oxydé que prévu. Creuser plus loin avec la tomographie par sonde atomique, l'équipe a découvert que du chrome s'était glissé à l'intérieur des noyaux de fer. Ils ont obtenu plus de détails sur l'état d'oxydation du chrome en utilisant la spectroscopie à structure fine d'absorption des rayons X à la source de lumière avancée, une installation utilisateur du DOE Office of Science au Lawrence Berkeley National Laboratory.

À la fin, l'équipe a montré que le chrome pénétrait dans les pores des particules de fer et était réduit en capturant un électron du fer, l'oxydant ainsi. La force magnétique de la magnétite est fortement déterminée par la quantité de fer ferreux par rapport au fer ferrique (oxydé) dans le matériau. L'oxydation du fer a donc dégradé les propriétés magnétiques. Ces connaissances fondamentales permettront aux chercheurs en science des matériaux d'ajuster la chimie du MOF pour empêcher les réactions d'oxydation-réduction indésirables et mieux conserver les propriétés magnétiques du matériau noyau-enveloppe.