Científicos de la Universidad de Texas en Austin revelan un nuevo método para extraer tierras raras de forma más eficiente y sostenible. Este avance podría tener un impacto significativo en los sectores tecnológico y energético al reducir la dependencia de las importaciones.
Un nuevo enfoque para la extracción de tierras raras, esenciales para alimentar dispositivos como baterías de vehículos eléctricos y teléfonos inteligentes, podría aumentar el suministro nacional y reducir la dependencia de costosas importaciones. Este avance proviene de investigadores de la Universidad de Texas en Austin, quienes han desarrollado un nuevo método ecológico para separar y extraer estos materiales críticos.
Los elementos de tierras raras son vitales para numerosas tecnologías avanzadas, pero sus procesos tradicionales de extracción y purificación requieren un uso intensivo de energía y son costosos.
“Los elementos de tierras raras son la base de las tecnologías avanzadas, pero su extracción y purificación requieren un alto consumo de energía y son extremadamente difíciles de implementar a la escala requerida”, declaró Manish Kumar, profesor del Departamento de Ingeniería Civil, Arquitectónica y Ambiental Fariborz Maseeh de la Escuela de Ingeniería Cockrell y del Departamento de Ingeniería Química McKetta, en un comunicado de prensa. “Nuestro trabajo busca cambiar esta situación, inspirado en el mundo natural”.
La investigación, reciente publicado En la revista ACS Nano, se describe la creación de canales de membrana artificiales. Estos diminutos poros, inspirados en los mecanismos de transporte selectivo de los sistemas biológicos, pueden diferenciar eficazmente los iones.
Cada canal está diseñado exclusivamente para permitir únicamente iones con características específicas y excluir otros, un proceso esencial para numerosas funciones biológicas, incluidos los procesos cognitivos.
Estos canales artificiales emplean una estructura de pillareno modificada para mejorar significativamente su capacidad de unirse y transportar selectivamente elementos de tierras raras medias como el europio (Eu³⁺) y el terbio (Tb³⁺) mientras excluyen iones más comunes como el potasio, el sodio y el calcio.
“La naturaleza ha perfeccionado el arte del transporte selectivo a través de las membranas biológicas”, añadió Venkat Ganesan, profesor del Departamento de Ingeniería Química de McKetta, quien codirigió la investigación. “Estos canales artificiales son como pequeños porteros que solo permiten el paso de los iones deseados”.
Los elementos de tierras raras medias tienen propiedades distintivas que los hacen indispensables para aplicaciones específicas, como iluminación, pantallas y tecnologías de energía verde, incluidas turbinas eólicas y baterías de vehículos eléctricos.
El Departamento de Energía de EE. UU. y la Comisión Europea han señalado estos elementos, incluidos el europio y el terbio, como materiales críticos con riesgo de interrupción del suministro. Dado que se prevé que la demanda de estos elementos aumente más del 2,600 % para 2035, se necesitan urgentemente métodos sostenibles de extracción y reciclaje.
Los resultados experimentales de estos canales artificiales revelaron una selección preferencial del europio sobre otros elementos de tierras raras, exhibiendo una preferencia de 40 veces sobre el lantano y una preferencia de 30 veces sobre el iterbio.
Estos niveles de selectividad superan con creces los alcanzados por los métodos tradicionales basados en disolventes, reduciendo significativamente el número de etapas necesarias para la separación.
Las simulaciones informáticas avanzadas ayudaron a descubrir que la selectividad de los canales está impulsada por las interacciones únicas entre las moléculas de agua y los iones de tierras raras dentro de los canales.
Estas interacciones permiten que los canales distingan entre iones en función de su dinámica de hidratación (cómo las moléculas de agua los rodean e interactúan con ellos).
Kumar y su equipo, que llevan más de cinco años investigando, también prevén amplias aplicaciones industriales. Prevén integrar su tecnología en sistemas de membranas escalables alimentados por energía limpia.
Su trabajo actual incluye el desarrollo de una plataforma que pueda seleccionar y reunir una variedad de iones, abarcando potencialmente otros minerales críticos como el litio, el cobalto, el galio y el níquel.
"Este es un primer paso para traducir las sofisticadas estrategias de reconocimiento y transporte molecular de la naturaleza en procesos industriales robustos, aportando así alta selectividad a entornos donde los métodos actuales resultan insuficientes", añadió Harekrushna Behera, investigadora asociada en el laboratorio de Kumar.