هيكل السليلوز المعدل يتيح تقدمًا في استخراج الديسبروسيوم

طور باحثون في جامعة بن ستايت مادة نانوية مستندة إلى النباتات تُغير بشكل جذري طريقة فصل عناصر الأرض النادرة. يركز الاختراق على هيكل سليلوز مصمم خصيصًا قادر على عزل الديسبروسيوم بشكل انتقائي — وهو عنصر أرض نادر ثقيل حاسم لصناعة أشباه الموصلات والمحركات الكهربائية والمولدات المتقدمة. يعالج هذا التقدم أحد التحديات المستمرة في علم المواد: فصل معادن الأرض النادرة ذات الخصائص الكيميائية المتشابهة بشكل فعال.

مادة نانوية مستندة إلى النباتات تستهدف عناصر الأرض النادرة الثقيلة

قام فريق البحث بتصميم السليلوز على المستوى الجزيئي، مخلقًا جزيئات بلورية نانوية بطول حوالي 100 نانومتر. على عكس أنظمة الفصل الصناعية التقليدية التي تتطلب كميات هائلة من المواد الكيميائية ودوارات متكررة لتحقيق نقاء مقبول، يعمل هذا الهيكل السليلوزي من خلال آلية امتصاص انتقائية. عندما يُدخل السليلوز النانوي في محاليل مائية تحتوي على عناصر أرض نادرة مختلطة مثل النيوديميوم والديسبروسيوم، يُظهر السليلوز المعدل تفضيلًا ملحوظًا لالتقاط العناصر الثقيلة، خاصة الديسبروسيوم، مع ترك العناصر الأخف خلفه.

يمثل هذا التطور تطورًا لعمل الفريق السابق مع مركبات السليلوز لاستعادة النيوديميوم من النفايات الإلكترونية. من خلال تحسين هيكل السليلوز على المستوى الجزيئي، وسع الباحثون منهجهم ليشمل مهمة أكثر تحديًا وهي فصل عناصر الأرض النادرة الثقيلة عن نظيراتها الأخف.

التفوق على تقنيات الفصل التقليدية لعناصر الأرض النادرة

يتضح الميزة التنافسية عند مقارنة هذه الطريقة مع العمليات الصناعية المعتمدة. عادةً، تتطلب منشآت فصل عناصر الأرض النادرة التجارية أكثر من 60 مرحلة استخراج متتالية لإنتاج نقاء عالي الجودة للمغانط. تستهلك هذه المصانع الضخمة كميات هائلة من المذيبات الكيميائية وتنتج نفايات بيئية كبيرة. بالمقابل، يحقق هذا النهج القائم على الهيكل السليلوزي فصلًا انتقائيًا عبر خطوة معالجة واحدة تعتمد على الماء.

قال أمير شيخي، أستاذ مشارك في الهندسة الكيميائية بجامعة بن ستايت: “فصل عناصر الأرض النادرة عن بعضها البعض كان صعبًا جدًا بسبب تشابه بنيتها الكيميائية.” وأضاف: “لقد طورنا طريقة موثوقة لعزل العناصر الثقيلة مثل الديسبروسيوم من العناصر الأخف مثل النيوديميوم مع القضاء على الآثار البيئية السلبية لطرق الفصل الحالية.”

توسيع نطاق التقنية: الآفاق التجارية والفوائد البيئية

تشير توقعات السوق إلى أن التقنية قد تكون ذات أهمية كبيرة. تتوقع الصناعة أن يتضاعف الطلب على الديسبروسيوم بنحو 2500 بالمئة خلال الـ 25 سنة القادمة مع انتشار التقنيات المتقدمة. حاليًا، تهيمن الصين على معالجة عناصر الأرض النادرة عالميًا، خاصة العناصر الثقيلة الضرورية للمغانط عالية الحرارة وتطبيقات الدفاع، مما يخلق مخاطر في سلاسل التوريد لدول وصناعات أخرى.

إذا تم توسيع نطاق هذه التقنية المبنية على الهيكل السليلوزي بنجاح، فمن الممكن أن تقلل بشكل كبير من استهلاك المواد الكيميائية في عمليات استعادة عناصر الأرض النادرة، وتخفض بشكل كبير البصمة البيئية لهذه العمليات التي كانت سامة تاريخيًا. يتطلب النهج المبسط بنية تحتية أقل مقارنة بمرافق الفصل التقليدية، مما قد يمكّن من عمليات معالجة إقليمية وتقليل الاعتماد العالمي على مراكز الإنتاج المركزية.

ستركز الأبحاث المستقبلية على تحسين الهيكل السليلوزي أكثر، واختبار قدرته على عزل عناصر أرض نادرة إضافية بجانب الديسبروسيوم، مما قد يخلق منصة عالمية لفصل عناصر الأرض النادرة عبر الجدول الدوري للمواد الحيوية.