Nadir toprak elementlerinin ayrıştırılmasında yeni yöntem

Yeni süreç, daha önce işlenmesi zor veya verimsiz görülen kaynaklardan nadir toprak elementlerinin ayrıştırılmasını mümkün kılarak, küresel ticaret gerilimlerinin artırdığı tedarik risklerine karşı çözüm sunuyor.

Teksas Üniversitesi Cockrell School of Engineering öğretim üyesi Prof. Manish Kumar “Nadir toprak elementleri gelişmiş teknolojilerin omurgasıdır; ancak çıkarılmaları ve saflaştırılmaları son derece enerji yoğun ve büyük ölçeklerde uygulanması zordur. Bizim çalışmamız, doğadan ilham alarak bunu değiştirmeyi amaçlıyor.” dedi.

ACS Nano’da yayımlanan çalışma, araştırma ekibinin biyolojik proteinlerdeki seçici madde geçişini taklit eden yapay membran kanalları geliştirdiğini ortaya koyuyor. Canlı organizmalarda bu kanallar, hücreler arası iyon hareketini düzenleyen yüksek seçiciliğe sahip yapılardır.

Araştırma ekibi, “pillararen” olarak bilinen kimyasal yapıyı modifiye ederek belirli nadir toprak iyonlarını taşırken potasyum, sodyum ve kalsiyum gibi yaygın iyonları engelleyen son derece seçici kanallar oluşturdu. Bu sistem özellikle orta sınıf nadir toprak elementlerini örneğin europyum (Eu³⁺) ve terbiyum (Tb³⁺) hedef alıyor.

Prof. Venkat Ganesan “Doğa, biyolojik membranlar aracılığıyla seçici taşımayı mükemmelleştirmiştir. Bu yapay kanallar da adeta mikroskobik birer kapı bekçisi gibi çalışarak sadece istenen iyonların geçmesine izin veriyor.” dedi.

Nadir toprak elementleri hafif, orta ve ağır olmak üzere sınıflara ayrılıyor ve her bir sınıf farklı teknolojilerde kullanılıyor. Orta sınıf elementler; televizyon ekranları, aydınlatma, rüzgâr türbinleri ve elektrikli araç bataryalarında yaygın şekilde tercih ediliyor.

ABD Enerji Bakanlığı ve Avrupa Komisyonu, europyum ve terbiyumu “tedarik riski yüksek kritik materyaller” listesine aldı. 2035’e kadar bu elementlere talebin %2600’den fazla artması öngörülüyor.

Laboratuvar deneylerinde yapay kanalların, europyumu hafif element olan lantanuma göre 40 kat, ağır element olan iterbiyuma göre 30 kat daha fazla seçtiği belirlendi. Bu seçicilik düzeyi, benzer performans için onlarca aşama gerektiren geleneksel çözücü bazlı yöntemlerden çok daha üstün.

Gelişmiş bilgisayar simülasyonları, seçiciliğin nadir toprak iyonları ile kanal arasındaki su aracılı etkileşimlerden kaynaklandığını gösterdi. Kanallar, iyonların “hidrasyon dinamiklerindeki” farklılıkları algılayarak onları birbirinden ayırt edebiliyor.

Prof. Kumar’ın laboratuvarı beş yılı aşkın süredir bu teknoloji üzerinde çalışıyor. Ekip, geliştirilen yapay kanalların endüstriyel ölçekte kullanılabilecek membran sistemlerine entegre edilmesini hedefliyor. Bu sayede ABD’nin temiz enerji kullanarak kendi iyon ayrıştırma süreçlerini yürütmesi kolaylaşacak.

Çalışmada, ileride lityum, kobalt, galyum ve nikel gibi diğer kritik minerallerin ayrıştırılması için de uyarlanabilecek bir platform üzerinde çalışıldığı belirtildi.

Araştırma görevlisi Harekrushna Behera, “Bu çalışma, doğanın moleküler tanıma ve taşımayı gerçekleştirme biçimlerini güçlü endüstriyel süreçlere uyarlamanın ilk adımıdır.” ifadelerini kullandı.