Pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia encontraram um "camaleão" químico que pode melhorar o processo usado para purificar metais de terras raras usados em aplicações de energia limpa, médicas e de segurança nacional.

O estudo, realizado em colaboração com a Universidade Vanderbilt, é o mais recente de muitos esforços da Divisão de Ciências Químicas do ORNL para reduzir as barreiras de acesso a metais chamados lantanídeos , que são amplamente utilizados em diversos produtos e aplicações, desde imagens biomédicas até produção química industrial e eletrônica. Existem 15 lantanídeos, e eles, junto com outros dois elementos, são conhecidos coletivamente como metais de terras raras.

A pesquisa foi publicada no Journal of the American Chemical Society .

Ao contrário do que o nome sugere, a maioria dos metais de terras raras não são de fato raros; os lantanídeos ocorrem naturalmente em depósitos de minérios, e muitos são tão comuns no ambiente quanto cobre e chumbo. No entanto, as propriedades poderosas dos metais que os tornam tão amplamente usados são funcionais apenas se um lantanídeo individual for separado da mistura de outros metais nos quais está presente quando extraído. O metal escolhido deve ser purificado a um alto nível antes de se tornar útil em sua aplicação pretendida. A raridade está na dificuldade desse processo.

"É um grande desafio, porque os íons lantanídeos são muito semelhantes em seus tamanhos e propriedades químicas", disse Subhamay Pramanik, ex-pós-doutorado do ORNL e agora radioquímico do grupo Nanomaterials Chemistry do ORNL. "Eles diferem apenas por uma quantidade mínima, então isolar lantanídeos individuais puros requer uma ciência de separação muito precisa."

Para isolar um metal selecionado de soluções minerais de terras raras, cientistas e a indústria usam ligantes — compostos químicos que se ligam seletivamente a um metal específico dentro da solução. Esses compostos são misturados em um solvente orgânico e, em seguida, misturados com uma solução aquosa da mistura de lantanídeos.

Assim como o óleo, os solventes orgânicos não se misturam com a água, então as camadas se separam. Se o composto agarrar com sucesso o metal alvo da solução durante a mistura, ele puxa o metal para dentro da camada orgânica quando o solvente e a solução aquosa se separam. Então o metal pode ser processado e purificado posteriormente.

Os melhores processos de separação industrial atuais ocorrem em estágios, com lantanídeos separados em uma ordem específica — pesado para leve ou leve para pesado. O processo é demorado e caro, e produz muito lixo que nem sempre é ecologicamente correto.

Entra o camaleão. Ao estudar um ligante existente semelhante aos compostos usados no processo acima mencionado, os cientistas descobriram algo único: um ligante que se comporta de forma diferente dependendo das condições experimentais.

Assim como um camaleão muda sua cor para se adaptar ao seu ambiente, o composto muda seu comportamento quando o ambiente ao redor dele muda, ligando-se a diferentes lantanídeos dependendo da concentração ácida da solução e da quantidade de tempo que o ligante pode interagir com ela. Por exemplo, se o ambiente for mais ácido, o ligante liga-se preferencialmente a um lantanídeo mais pesado.

"Em sistemas de separação típicos, um ligante geralmente mostra preferência por lantanídeos mais leves ou mais pesados", disse Santa Jansone-Popova, do ORNL, que coliderou o estudo. "Descobrimos que você pode usar o mesmo composto para realizar múltiplas separações diferentes, o que é emocionante e único. E identificamos os mecanismos pelos quais ele faz isso."

Usar o mesmo composto para separar vários lantanídeos diferentes na série poderia reduzir o número de etapas necessárias neste processo comum e custoso. Além disso, dependendo das condições, o ligante neste estudo poderia separar os lantanídeos mais pesados, mais leves e de peso médio — em qualquer ordem.

Outros ligantes não mostram esse mesmo comportamento. No entanto, até agora, os cientistas não sabiam que este também mostraria. O ligante camaleão parece semelhante a outros ligantes bem estabelecidos, mas tem um comportamento completamente diferente. Agora que se sabe que tais capacidades e sistemas existem para compostos de ligação de lantanídeos, o ligante pode ser estudado com mais profundidade, e mais compostos com comportamento semelhante podem ser descobertos.

"Só porque a estrutura de um ligante parece muito similar a outro, ele não precisa se comportar da mesma forma, e esse entendimento move a agulha e expande os limites do que é conhecido", disse Ilja Popovs, do ORNL, que coliderou o estudo. "Ele tem o potencial de tornar os processos de separação mais rápidos, limpos e melhores — reduzindo o número de estágios, fornecendo melhor seletividade e pureza, e levando a processos mais ecológicos."