Le cozze ispirano un'eco

La capacità unica e straordinaria delle cozze di aderire alle superfici sottomarine come le rocce ha ispirato un modo nuovo, più efficiente e rispettoso dell'ambiente per estrarre elementi critici delle terre rare. Credito: fornito da Sheikhi Lab/Penn State. Tutti i diritti riservati.

9 agosto 2023

Di Jamie Oberdick

PARCO UNIVERSITARIO, Pennsylvania - C'è un enigma sugli elementi delle terre rare (REE). Svolgono un ruolo chiave nell’energia pulita, vitale per la produzione di batterie leggere ed efficienti e di componenti essenziali nelle turbine eoliche. Al contrario, l’estrazione convenzionale di questi elementi solleva preoccupazioni ambientali che vanno dalla distruzione dell’habitat all’inquinamento dell’acqua e dell’aria fino all’elevata quantità di energia necessaria per estrarre ed elaborare questi elementi.

Per risolvere questo dilemma, i ricercatori della Penn State hanno trovato ispirazione sotto il mare: la viscosità delle cozze. Imitando questa colla naturale, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo rivestimento in nanocellulosa (MINC) ispirato alle cozze che ha dimostrato quella che chiamano una capacità “notevole, persino sorprendente” di recuperare REE da fonti secondarie come le acque reflue industriali senza utilizzare una quantità elevata di energia .

Hanno pubblicato il lavoro il 31 luglio su ACS Applied Materials and Interfaces. Sarà presente sulla copertina della rivista a settembre.

Le cozze hanno una notevole capacità di aderire alle superfici sott'acqua grazie alle proprietà adesive delle molecole a base di catecolo presenti nelle proteine ​​delle cozze. Il MINC rispecchia questo aspetto essendo costituito da nanocristalli di cellulosa pelosa ultraminuscoli con proprietà appiccicose uniche. Il MINC viene applicato a un substrato tramite una tecnica chiamata formazione di uno strato pubblicitario mediata dalla dopamina. Una reazione chimica consente al MINC di formare un sottile strato di molecole su una superficie, rendendolo capace di aderire a un'ampia gamma di substrati.

“L’approccio MINC offre un’alternativa sostenibile ed ecologica ai metodi di estrazione convenzionali, riducendo al minimo l’impatto ambientale e contribuendo alla disponibilità a lungo termine di elementi critici”, ha affermato l’autore principale Amir Sheikhi, assistente professore di ingegneria chimica e ingegneria biomedica, per cortesia.

I ricercatori si sono concentrati sull'applicazione del MINC per estrarre un particolare REE, il neodimio. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha elencato il neodimio come materiale critico a causa della carenza di approvvigionamento e del suo elevato impatto sulle tecnologie sostenibili emergenti come le batterie delle auto elettriche e i magneti utilizzati nei sistemi di alimentazione per veicoli elettrici e turbine eoliche. Tuttavia, la parte “rara” degli elementi delle terre rare è particolarmente vera con il neodimio, poiché la mancanza di una fornitura pronta per l’estrazione di questo elemento critico ne costringe l’estrazione da fonti secondarie come il riciclaggio delle acque reflue industriali. Questo può essere sia inefficiente che dispendioso in termini energetici, secondo Sheikhi.

"L'offerta globale limitata di neodimio e l'impatto ambientale degli attuali metodi di estrazione richiedono lo sviluppo di approcci ecologici e sostenibili per il recupero delle terre rare", ha affermato Sheikhi, spiegando che le tecniche di estrazione convenzionali utilizzano quantità significative di sostanze chimiche tossiche, come il cherosene, per purificare l'elemento bersaglio. “I precedenti metodi di estrazione delle terre rare utilizzavano adsorbenti come gel di alginato, materiali sol-gel di fosforo, nanotubi e carbonio poroso, ma queste tecniche dimostrano un’efficienza limitata”.

Amir Sheikhi, assistente professore di ingegneria chimica e ingegneria biomedica, per gentile concessione (a sinistra) e Dawson Alexander, un ricercatore universitario dello Sheikhi Research Group, coautore insieme a Sheikhi dell'articolo pubblicato su ACS Applied Materials and Interfaces . Credito: Gruppo di ricerca Sheikhi. Tutti i diritti riservati.

Il rivestimento MINC sta al neodimio come un magnete sta al ferro, estraendo l'REE fuori dall'acqua, anche quando l'elemento è presente solo in quantità limitate come parti per milione.

"La sfida nell'estrazione del neodimio sta nel ottenerne una rimozione efficiente e selettiva a basse concentrazioni", ha affermato Sheikhi. "Il MINC presentato in questo studio offre una migliore selettività e capacità di rimozione del neodimio, superando i limiti dei metodi precedenti."