Les éléments de terres rares, comme le néodyme et le dysprosium, sont un composant essentiel de presque toutes les technologies modernes, des smartphones aux disques durs, mais ils sont notoirement difficiles à séparer de la croûte terrestre et les uns des autres.
Les scientifiques de Penn Point out ont découvert un nouveau mécanisme par lequel les bactéries peuvent choisir entre différents éléments de terres rares, en utilisant la capacité d’une protéine bactérienne à se lier à une autre unité d’elle-même, ou à “se dimériser”, lorsqu’elle est liée à certaines terres rares, mais préfèrent rester une seule unité, ou “monomère”, lorsqu’il est lié à d’autres.
En découvrant remark cette poignée de primary moléculaire fonctionne au niveau atomique, les chercheurs ont trouvé un moyen de séparer ces métaux similaires les uns des autres rapidement, efficacement et dans des disorders normales de température ambiante. Selon les chercheurs, cette stratégie pourrait conduire à des pratiques d’extraction et de recyclage moreover efficaces et furthermore vertes pour l’ensemble du secteur technologique.
“La biologie parvient à différencier les terres rares de tous les autres métaux – et maintenant, nous pouvons voir comment elle différencie même les terres rares qu’elle trouve utiles et celles qu’elle ne trouve pas”, a déclaré Joseph Cotruvo Jr. professeur agrégé. de chimie à Penn Condition et auteur principal d’un article sur la découverte publié aujourd’hui (31 mai) dans la revue Mother nature. “Nous montrons remark nous pouvons adapter ces approches pour la récupération et la séparation des terres rares.”
Les éléments de terres rares, qui incluent les métaux lanthanides, sont en fait relativement abondants, a expliqué Cotruvo, mais ils sont ce que les minéralogistes appellent “dispersés”, ce qui signifie qu’ils sont principalement dispersés sur toute la planète à de faibles concentrations.
“Si vous pouvez récolter des terres rares à partir d’appareils que nous avons déjà, nous ne dépendrons peut-être pas autant de leur extraction”, a déclaré Cotruvo. Cependant, il a ajouté que quelle que soit la resource, le défi de séparer une terre unusual d’une autre pour obtenir une compound pure demeure.
“Que vous extrayiez les métaux de la roche ou d’appareils, vous devrez toujours effectuer la séparation. Notre méthode, en théorie, s’applique à toutes les manières dont les terres rares sont récoltées”, a-t-il déclaré.
Tout pareil – et complètement différent
En termes simples, les terres rares sont 15 éléments du tableau périodique – les lanthanides, avec les numéros atomiques 57 à 71 – et deux autres éléments aux propriétés similaires qui sont souvent regroupés avec eux. Les métaux se comportent chimiquement de la même manière, ont des tailles similaires et, pour ces raisons, ils se retrouvent souvent ensemble dans la croûte terrestre. Cependant, chacun a des applications distinctes dans les technologies.
Les pratiques conventionnelles de séparation des terres rares nécessitent l’utilisation de grandes quantités de produits chimiques toxiques comme le kérosène et les phosphonates, similaires aux produits chimiques couramment utilisés dans les insecticides, les herbicides et les retardateurs de flamme, a expliqué Cotruvo. Le processus de séparation nécessite des dizaines voire des centaines d’étapes, utilisant ces produits chimiques hautement toxiques, pour obtenir des oxydes de terres rares individuels de haute pureté.
“Il s’agit de les sortir du rocher, ce qui est une partie du problème, mais pour lequel de nombreuses solutions existent”, a déclaré Cotruvo. “Mais vous rencontrez un deuxième problème une fois qu’ils sont sortis, car or truck vous devez séparer plusieurs terres rares les unes des autres. C’est le défi le additionally grand et le furthermore intéressant, faire la difference entre les terres rares individuelles, car elles se ressemblent tellement. Nous avons pris une protéine naturelle, que nous appelons lanmoduline ou LanM, et l’avons conçue pour faire exactement cela.”
Apprendre de la mother nature
Cotruvo et son laboratoire se sont tournés vers la mother nature pour trouver une alternate au processus de séparation conventionnel à base de solvant, motor vehicle la biologie récolte et exploite déjà le pouvoir des terres rares depuis des millénaires, en particulier dans une classe de bactéries appelées “méthylotrophes” que l’on trouve souvent sur les feuilles des plantes et dans le sol et l’eau et jouent un rôle essential dans la façon dont le carbone se déplace dans l’environnement.
Il y a 6 ans, le laboratoire a isolé lanmoduline de l’une de ces bactéries et a montré qu’elle était inégalée – additionally de 100 thousands and thousands de fois meilleure – dans sa capacité à lier les lanthanides aux métaux communs comme le calcium. Grâce à des travaux ultérieurs, ils ont montré qu’il était able de purifier les terres rares en tant que groupe à partir de dizaines d’autres métaux dans des mélanges trop complexes pour les méthodes traditionnelles d’extraction des terres rares. Cependant, la protéine était moins bonne pour faire la difference entre les terres rares individuelles.
Cotruvo a expliqué que pour la nouvelle étude détaillée dans Nature, l’équipe a identifié des centaines d’autres protéines naturelles qui ressemblaient à peu près à la première lanmoduline mais se concentraient sur une qui était suffisamment différente – 70% différente – qu’ils soupçonnaient qu’elle aurait des propriétés distinctes. propriétés. Cette protéine se trouve naturellement dans une bactérie (Hansschlegelia quercus) isolée à partir de bourgeons de chêne anglais.
Les chercheurs ont découvert que la lanmoduline de cette bactérie présentait de fortes capacités à différencier les terres rares. Leurs études ont indiqué que cette différenciation provenait d’une capacité de la protéine à se dimériser et à effectuer une sorte de poignée de principal. Lorsque la protéine se lie à l’un des lanthanides in addition légers, comme le néodyme, la poignée de key (dimère) est forte. En revanche, lorsque la protéine se lie à un lanthanide plus lourd, comme le dysprosium, la poignée de major est beaucoup in addition faible, de sorte que la protéine favorise la forme monomère.
“C’était surprenant automobile ces métaux sont de taille très similaire”, a déclaré Cotruvo. “Cette protéine a la capacité de se différencier à une échelle inimaginable pour la plupart d’entre nous – quelques billionièmes de mètre, une différence inférieure à un dixième du diamètre d’un atome.”
Réglage fin des séparations de terres rares
Pour visualiser le processus à une si petite échelle, les chercheurs se sont associés à Amie Boal, professeur de chimie, biochimie et biologie moléculaire de Penn Condition, qui est co-auteur de l’article. Le laboratoire de Boal est spécialisé dans une technique appelée cristallographie aux rayons X, qui permet une imagerie moléculaire à haute résolution.
Les chercheurs ont déterminé que la capacité de la protéine à se dimériser en fonction du lanthanide auquel elle était liée se résumait à un seul acide aminé — 1 % de la protéine entière — qui occupait une situation différente avec le lanthane (qui, comme le néodyme, est un lanthanide léger) qu’avec le dysprosium.
Parce que cet acide aminé fait partie d’un réseau d’acides aminés interconnectés à l’interface avec l’autre monomère, ce changement a modifié la façon dont les deux unités protéiques interagissaient. Lorsqu’un acide aminé qui est un acteur clé de ce réseau a été retiré, la protéine était beaucoup moins practical à l’identité et à la taille des terres rares. Les résultats ont révélé un nouveau principe naturel pour affiner les séparations de terres rares, basé sur la propagation de différences minuscules au niveau du web page de liaison des terres rares à l’interface dimère.
En utilisant ces connaissances, leurs collaborateurs du Lawrence Livermore Countrywide Laboratory ont montré que la protéine pouvait être attachée à de petites billes dans une colonne et qu’elle pouvait séparer les composants les furthermore importants des aimants permanents, le néodyme et le dysprosium, en une seule étape, à température ambiante. et sans aucun solvant organique.
“Bien que nous ne soyons en aucun cas les premiers scientifiques à reconnaître que la dimérisation wise aux métaux pourrait être un moyen de séparer des métaux très similaires, principalement avec des molécules synthétiques”, a déclaré Cotruvo, “c’est la première fois que ce phénomène est observé dans la mother nature. avec les lanthanides. C’est une science fondamentale avec des résultats appliqués. Nous révélons ce que fait la character et cela nous enseigne ce que nous pouvons faire de mieux en tant que chimistes.
Cotruvo pense que le notion de liaison des terres rares à une interface moléculaire, de sorte que la dimérisation dépend de la taille exacte de l’ion métallique, peut être une approche puissante pour réaliser des séparations difficiles.
“C’est la pointe de l’iceberg”, a-t-il déclaré. “Avec une optimisation supplémentaire de ce phénomène, le problème le plus difficile de tous – la séparation efficace des terres rares qui sont juste à côté les unes des autres sur le tableau périodique – peut être à portée de primary.”
Une demande de brevet a été déposée par Penn Condition sur la foundation de ces travaux et l’équipe est actuellement en coach d’intensifier les opérations, d’affiner et de rationaliser la protéine dans le but de commercialiser le procédé.
Les autres co-auteurs de Penn State sont Joseph Mattocks, Jonathan Jung, Chi-Yun Lin, Neela Yennawar, Emily Featherston et Timothy Hamilton. Ziye Dong, Christina Kang-Yun et Dan Park du Lawrence Livermore National Laboratory sont également co-auteurs de l’article.
Le travail a été financé par le Département américain de l’énergie, la Countrywide Science Foundation, les National Institutes of Wellbeing, le Jane Coffin Childs Memorial Fund for Health-related Investigation et le Critical Supplies Institute, un centre d’innovation énergétique financé par le DOE, Business office of Electricity Bureau de l’efficacité et des énergies renouvelables, des matériaux avancés et des systems de fabrication. Une partie des travaux a été réalisée sous les auspices du DOE par le Lawrence Livermore National Laboratory.
