أنشأ الباحثون في جامعة تكساس في أوستن قنوات غشائية اصطناعية تحاكي دقة الطبيعة لاستخراج العناصر الأرضية النادرة الرئيسية بشكل انتقائي.

فريق من العلماء في جامعة تكساس في أوستن ابتكرت طريقة أنظف وأكثر كفاءة لاستخراج العناصر الأرضية النادرة، والتي تعتبر حيوية لتقنيات مثل بطاريات السيارات الكهربائية والهواتف الذكية. ويمكن لهذه التقنية أن تعزز الإنتاج المحلي وتقلل من الاعتماد على الواردات الباهظة الثمن.

تتيح العملية الجديدة فصل وجمع العناصر الأرضية النادرة من المصادر التي كان استخدامها في السابق صعبًا للغاية أو غير فعال، مما يوفر حلاً محتملاً لتحديات العرض التي تفاقمت بسبب التوترات التجارية العالمية.

وقال مانيش كومار، الأستاذ في قسم فاريبورز مسيح للهندسة المدنية والمعمارية والبيئية في كلية كوكريل للهندسة، قسم الهندسة المدنية والمعمارية والبيئية وقسم الهندسة الكيميائية في ماكيتا: “إن العناصر الأرضية النادرة هي العمود الفقري للتقنيات المتقدمة، لكن استخراجها وتنقيتها يستهلك الكثير من الطاقة ويصعب للغاية تنفيذها بالمقاييس المطلوبة”. “يهدف عملنا إلى تغيير ذلك، مستوحى من العالم الطبيعي.”

الدراسة التي نشرت مؤخرا في ايه سي اس نانويصف كيف قام الفريق بتصميم قنوات غشائية اصطناعية، وهي مسام صغيرة داخل الأغشية، تحاكي أنظمة النقل الانتقائية للغاية للبروتينات الطبيعية في الكائنات الحية. في علم الأحياء، تقوم هذه القنوات بتوجيه الأيونات أثناء تحركها بين الخلايا.

تتمتع كل قناة بخصائص فريدة تسمح فقط للأيونات ذات السمات المحددة بالمرور بينما تمنع الآخرين. تعتبر هذه الانتقائية المضبوطة ضرورية للعديد من الوظائف البيولوجية، بما في ذلك الطريقة التي يعالج بها الدماغ البشري المعلومات.

تصميم حراس البوابة الاصطناعية

تستخدم القنوات الاصطناعية للباحثين نسخة معدلة من بنية تسمى بيلارين لتعزيز قدرتها على ربط وحظر أيونات مشتركة معينة أثناء نقل أيونات أرضية نادرة معينة. والنتيجة هي نظام يمكنه نقل العناصر الأرضية النادرة المتوسطة بشكل انتقائي، مثل اليوروبيوم (Eu³⁺) والتيربيوم (Tb³⁺)، مع استبعاد الأيونات الأخرى مثل البوتاسيوم والصوديوم والكالسيوم.

قال فينكات غانيسان، الأستاذ في قسم الهندسة الكيميائية في جامعة ماكيتا وأحد رواد البحث: “لقد أتقنت الطبيعة فن النقل الانتقائي عبر الأغشية البيولوجية. هذه القنوات الاصطناعية تشبه حراس البوابات الصغيرة، حيث تسمح فقط للأيونات المرغوبة بالمرور عبرها”.

تنقسم العناصر الأرضية النادرة إلى عدة فئات (خفيفة ومتوسطة وثقيلة)، ولكل منها خصائص مختلفة تجعلها مثالية لتطبيقات محددة. تُستخدم العناصر الوسطى في الإضاءة وشاشات العرض، بما في ذلك أجهزة التلفاز، وكمغناطيس في تقنيات الطاقة الخضراء، مثل توربينات الرياح وبطاريات السيارات الكهربائية.

وقد حددت وزارة الطاقة الأميركية والمفوضية الأوروبية العديد من العناصر المتوسطة، بما في ذلك اليوروبيوم والتيربيوم، باعتبارها مواد بالغة الأهمية معرضة لخطر انقطاع الإمدادات. ومع التوقعات بنمو الطلب على هذه العناصر بنسبة تزيد على 2600% بحلول عام 2035، أصبح إيجاد طرق مستدامة لاستخراجها وإعادة تدويرها أكثر إلحاحا من أي وقت مضى.

انتقائية وكفاءة ملحوظة

وفي التجارب، أظهرت القنوات الاصطناعية تفضيلاً بمقدار 40 ضعفاً لليوروبيوم على اللانثانوم (عنصر أرضي نادر خفيف) وتفضيل 30 ضعفاً لليوروبيوم على الإيتربيوم (عنصر أرضي نادر ثقيل). وتعد مستويات الانتقائية هذه أعلى بكثير من تلك التي تحققها الطرق التقليدية القائمة على المذيبات والتي تتطلب عشرات المراحل لتحقيق نتائج مماثلة.

وباستخدام عمليات المحاكاة الحاسوبية المتقدمة، اكتشفوا أن انتقائية القنوات مدفوعة بتفاعلات مائية فريدة بين الأيونات الأرضية النادرة والقناة. وتسمح هذه التفاعلات للقنوات بالتمييز بين الأيونات بناءً على ديناميكيات الترطيب الخاصة بها، أي كيفية إحاطة جزيئات الماء بالأيونات وتفاعلها معها.

يعمل كومار وفريقه على هذا البحث منذ أكثر من خمس سنوات. وهو خبير في عمليات الفصل القائمة على الأغشية، ويطبق هذه المعرفة على توليد المياه النظيفة أيضًا.

ويتصور الباحثون أن يتم دمج تقنيتهم ​​في أنظمة أغشية قابلة للتطوير للاستخدام الصناعي. والهدف هو تسهيل إجراء عمليات فصل الأيونات في الولايات المتحدة، باستخدام الطاقة النظيفة.

إنهم يعملون على منصة لهذه القنوات تسمح للمستخدمين باختيار مجموعة متنوعة من الأيونات لجمعها. يمكن أن يشمل ذلك معادن مهمة أخرى مثل الليثيوم والكوبالت والجاليوم والنيكل.

قال هاريكراشنا بيهيرا، الباحث المشارك في مختبر كومار والذي عمل في المشروع: “إنها خطوة أولى نحو ترجمة التعرف الجزيئي المتطور في الطبيعة واستراتيجيات النقل إلى عمليات صناعية قوية، وبالتالي جلب انتقائية عالية إلى البيئات التي تكون فيها الأساليب الحالية قاصرة”.

المرجع: “القنوات الاصطناعية الانتقائية للانثانيد” بقلم Harekrushna Behera، Tyler J. Duncan، Laxmicharan Samineni، Hyeonji Oh، Ankit Jogdand، Arnav Karnik، Raman Dhiman، Aida Fica، Tzu-Yun Hsieh، Venkat Ganesan and Manish Kumar، 4 أبريل 2025. ايه سي اس نانو.
دينغ: 10.101/17 ماك.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل, يكتشف، و أخبار.