这里展示的观念艺术描绘了一个适应环境的配体。ORNL的科学家们发现了一种化合物，它可以根据周围环境改变对特定稀土金属的结合偏好，就像变色龙改变颜色一样。图片来源:Adam Malin/ORNL，美国能源部
美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员发现了一种化学“变色龙”，可以改善用于净化清洁能源、医疗和国家安全应用的稀土金属的过程。
这项研究是与范德比尔特大学合作进行的，是ORNL化学科学部为降低获取镧系金属的障碍所做的最新努力，镧系金属广泛用于各种产品和应用，从生物医学成像到工业化学生产再到电子产品。镧系元素共有15种，它们和另外两种元素统称为稀土金属。
与它们的名字所暗示的相反，大多数稀土金属实际上并不稀有;镧系元素自然存在于矿藏中，其中许多元素与铜和铅一样普遍存在于环境中。然而，使这些金属得到如此广泛应用的强大特性，只有在开采时将单个镧系元素从其他金属混合物中分离出来时才能发挥作用。所选择的金属必须纯化到高水平，才能在预期的应用中发挥作用。罕见之处在于这一过程的难度。
“这是一个巨大的挑战，因为镧系离子在大小和化学性质上非常相似，”前ORNL博士后、现在ORNL纳米材料化学小组的放射化学家Subhamay Pramanik说。“它们之间的差异很小，所以分离纯镧系元素需要非常精确的分离科学。”
为了从稀土矿物溶液中分离出一种特定的金属，科学家和工业界使用配体——一种选择性地与溶液中的特定金属结合的化合物。将这些化合物混合到有机溶剂中，然后与镧系混合物的水基溶液混合。和油一样，有机溶剂不能和水混合，所以两层是分开的。如果化合物在混合过程中成功地从溶液中捕获目标金属，当溶剂和水溶液分离时，它将金属拉入有机层。然后对金属进行加工和进一步提纯。
在典型的分离系统中，配体通常偏爱较轻或较重的镧系元素。我们发现你可以用同一种化合物进行多种不同的分离，这是令人兴奋和独特的。我们确定了它的作用机制。
目前最好的工业分离工艺是分阶段进行的，按照特定的顺序分离镧系元素——从重到轻或从轻到重。这个过程既耗时又昂贵，而且会产生大量不环保的废物。
变色龙登场了。当研究一种与上述过程中使用的化合物相似的现有配体时，科学家们发现了一些独特的东西:一种根据实验条件表现不同的配体。就像变色龙改变颜色以适应环境一样，当周围环境改变时，这种化合物也会改变它的行为，根据溶液的酸浓度和配体与之相互作用的时间长短，它会与不同的镧系元素结合。例如，如果环境酸性更强，配体优先与较重的镧系元素结合。
“在典型的分离系统中，配体通常对较轻或较重的镧系元素表现出偏好，”ORNL的Santa Jansone-Popova说，他是这项研究的共同负责人。“我们发现你可以使用相同的化合物进行多种不同的分离，这是令人兴奋和独特的。我们确定了它的作用机制。”
使用相同的化合物分离系列中的多个不同的镧系元素可以减少这个常见且昂贵的过程所需的步骤数。此外，根据条件的不同，本研究中的配体可以以任何顺序分离最重、最轻和中等重量的镧系元素。
其他配体不表现出同样的行为。然而，直到现在，科学家们也不知道这一点。变色龙的配体看起来与其他已经建立的配体相似，但它的行为却完全不同。现在已知镧系结合化合物存在这样的能力和系统，可以对配体进行更深入的研究，并且可以发现更多具有类似行为的化合物。
ORNL的Ilja Popovs说:“仅仅因为一个配体的结构看起来非常相似，它的行为并不一定相同，这种理解推动了研究的发展，突破了已知的界限。”“它有可能使分离过程更快、更清洁、更好——减少阶段数量，提供更好的选择性和纯度，并导致更环保的过程。”
这项工作是由美国能源部科学办公室的分离科学和材料化学项目赞助的。部分工作利用了美国能源部科学办公室的两个用户设施:阿贡国家实验室的先进光子源和布鲁克海文国家实验室的国家同步加速器光源II。
UT-Battelle为美国能源部科学办公室管理ORNL，该办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者。科学办公室正在努力解决我们这个时代的一些最紧迫的挑战。欲了解更多信息，请访问energy.gov/science。——艾米丽·汤姆林
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