稀土元素，被稱為“工業(yè)維生素”，是支撐現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)的基石。從電動(dòng)汽車的電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)到智能手機(jī)和先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備，幾乎所有尖端技術(shù)都離不開這些關(guān)鍵材料。然而，稀土元素的提取和純化過(guò)程卻極其復(fù)雜、耗能巨大，并且常常涉及大量的化學(xué)溶劑，對(duì)環(huán)境造成污染。在全球貿(mào)易局勢(shì)日益緊張的背景下，尋找更高效、更清潔的稀土提取技術(shù)，成為了各國(guó)加強(qiáng)本土供應(yīng)鏈的關(guān)鍵。

最近，來(lái)自美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，受到大自然的啟發(fā)，開發(fā)出一種全新且更高效的方法來(lái)分離和收集稀土元素。這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于模仿生物體中天然蛋白質(zhì)的運(yùn)輸系統(tǒng)，創(chuàng)造出人工膜通道（artificial membrane channels）。

在生物學(xué)中，這些天然通道就像細(xì)胞的“守門員”，擁有高度的選擇性，只允許特定的離子通過(guò)，同時(shí)阻擋其他離子，這是大腦處理信息等許多復(fù)雜生物功能的基礎(chǔ)。研究團(tuán)隊(duì)正是借鑒了這一精妙機(jī)制，設(shè)計(jì)出具有納米級(jí)孔隙的人工膜通道。

這些人工通道的核心是一種經(jīng)過(guò)修飾的分子結(jié)構(gòu)，可以有效結(jié)合并阻擋鉀、鈉、鈣等常見離子，同時(shí)精確地運(yùn)輸特定的稀土離子。研究人員利用這種通道，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)中等稀土元素（如用于照明和綠色能源技術(shù)的銪Eu3?和鋱Tb3?）的選擇性運(yùn)輸。中等稀土元素因其在風(fēng)力渦輪機(jī)和電動(dòng)汽車電池中的重要作用，被美國(guó)能源部和歐盟委員會(huì)列為關(guān)鍵材料，面臨供應(yīng)中斷的風(fēng)險(xiǎn)。

這項(xiàng)技術(shù)的效率提升是驚人的。在實(shí)驗(yàn)中，人工通道對(duì)銪的選擇性，相比輕稀土元素鑭（Lanthanum）高出40倍，相比重稀土元素鐿（Ytterbium）高出30倍。這種高選擇性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)依賴數(shù)十個(gè)步驟的溶劑萃取法。這意味著，原本難以或效率低下的稀土來(lái)源，現(xiàn)在可以通過(guò)這種新方法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效的利用。

通過(guò)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬，科學(xué)家們還揭示了這種高選擇性的秘密：它是由稀土離子與通道之間獨(dú)特的水介導(dǎo)相互作用驅(qū)動(dòng)的。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，通道可以根據(jù)離子周圍水分子（即水合動(dòng)力學(xué)）的不同動(dòng)態(tài)和相互作用，來(lái)精確地區(qū)分不同種類的稀土離子，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的篩選。

這項(xiàng)耗時(shí)超過(guò)五年的研究，不僅是基礎(chǔ)化學(xué)和工程學(xué)領(lǐng)域的重大突破，更具有重大的產(chǎn)業(yè)意義。研究人員計(jì)劃將這項(xiàng)膜通道技術(shù)整合到可擴(kuò)展的工業(yè)系統(tǒng)中使用，目標(biāo)是在美國(guó)本土更容易地進(jìn)行離子分離，并且整個(gè)過(guò)程可以利用清潔能源驅(qū)動(dòng)。更進(jìn)一步，該平臺(tái)未來(lái)還有潛力擴(kuò)展到鋰、鈷、鎵、鎳等其他關(guān)鍵礦物的提取和回收，為全球能源轉(zhuǎn)型和供應(yīng)鏈安全提供一個(gè)可持續(xù)、高效率的解決方案。

參考資料:DOI:10.1021/acsnano.4c17675