Một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Texas ở Austin vừa phát triển một phương pháp tách chiết nguyên tố đất hiếm sạch hơn và hiệu quả hơn — những nguyên tố đóng vai trò thiết yếu trong các công nghệ như pin xe điện và điện thoại thông minh. Kỹ thuật này có thể giúp Mỹ củng cố năng lực sản xuất trong nước và giảm phụ thuộc vào nguồn nhập khẩu đắt đỏ.
Quy trình mới cho phép tách và thu hồi nguyên tố đất hiếm từ các nguồn trước đây khó hoặc không hiệu quả để khai thác, mang lại giải pháp tiềm năng cho các thách thức nguồn cung đang gia tăng giữa bối cảnh căng thẳng thương mại toàn cầu.
“Các nguyên tố đất hiếm là xương sống của công nghệ tiên tiến, nhưng việc tách chiết và tinh luyện chúng đòi hỏi nhiều năng lượng và rất khó thực hiện ở quy mô lớn,” giáo sư Manish Kumar của Trường Kỹ thuật Cockrell cho biết. “Công trình của chúng tôi nhằm thay đổi điều đó, được lấy cảm hứng từ thế giới tự nhiên.”
Nghiên cứu, vừa được công bố trên ACS Nano, mô tả cách nhóm đã chế tạo các kênh màng nhân tạo — những lỗ siêu nhỏ trên màng — mô phỏng cơ chế vận chuyển chọn lọc cao của các protein tự nhiên trong sinh vật sống. Trong sinh học, các kênh này kiểm soát sự di chuyển của các ion giữa các tế bào.
Mỗi kênh có đặc tính riêng cho phép chỉ những ion có đặc điểm cụ thể đi qua, trong khi ngăn chặn các ion khác. Độ chọn lọc tinh vi này rất quan trọng với nhiều chức năng sinh học, chẳng hạn như cách não người xử lý thông tin.
Thiết kế “người gác cổng” nhân tạo
Các kênh nhân tạo của nhóm nghiên cứu sử dụng phiên bản cải tiến của một cấu trúc gọi là pillararene, giúp tăng khả năng liên kết và chặn các ion thông thường, đồng thời cho phép vận chuyển có chọn lọc các ion đất hiếm, đặc biệt là các nguyên tố nhóm giữa như europi (Eu³⁺) và terbi (Tb³⁺), trong khi loại trừ các ion như kali, natri và canxi.
“Thiên nhiên đã hoàn thiện nghệ thuật vận chuyển chọn lọc qua màng sinh học,” giáo sư Venkat Ganesan của Khoa Kỹ thuật Hóa học McKetta, đồng trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết. “Các kênh nhân tạo này giống như những người gác cổng siêu nhỏ, chỉ cho phép các ion mong muốn đi qua.”
Các nguyên tố đất hiếm được chia thành ba nhóm (nhẹ, trung bình và nặng), mỗi nhóm có đặc tính riêng, phù hợp với các ứng dụng cụ thể. Nhóm nguyên tố trung bình được dùng trong chiếu sáng, màn hình TV, và làm nam châm trong công nghệ năng lượng xanh như tuabin gió và pin xe điện.
Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) và Ủy ban châu Âu (EC) đã xác định một số nguyên tố trung bình, gồm europi và terbi, là vật liệu quan trọng có nguy cơ gián đoạn nguồn cung. Với nhu cầu dự kiến tăng hơn 26 lần vào năm 2035, việc tìm kiếm giải pháp bền vững để khai thác và tái chế chúng trở nên cấp bách hơn bao giờ hết.
Mức chọn lọc và hiệu quả vượt trội
Trong các thí nghiệm, kênh nhân tạo cho thấy khả năng ưu tiên europi gấp 40 lần so với lantan (nguyên tố đất hiếm nhẹ) và gấp 30 lần so với ytterbi (nguyên tố đất hiếm nặng). Mức chọn lọc này cao hơn đáng kể so với các phương pháp tách dung môi truyền thống, vốn cần đến hàng chục công đoạn mới đạt được kết quả tương tự.
Bằng mô phỏng máy tính tiên tiến, nhóm phát hiện khả năng chọn lọc này đến từ tương tác đặc biệt qua nước giữa ion đất hiếm và kênh. Những tương tác này giúp kênh phân biệt các ion dựa trên động lực học hydrat hóa — tức cách các phân tử nước bao quanh và tương tác với ion.
Giáo sư Kumar và nhóm của ông đã nghiên cứu chủ đề này hơn 5 năm. Ông cũng là chuyên gia trong lĩnh vực tách lọc bằng màng, từng áp dụng công nghệ này trong xử lý nước sạch.
Nhóm nghiên cứu hình dung công nghệ này có thể được tích hợp vào hệ thống màng quy mô công nghiệp, giúp tách ion ngay tại Mỹ bằng năng lượng sạch.
Họ đang phát triển một nền tảng cho phép người dùng lựa chọn loại ion cần thu thập, bao gồm cả các khoáng chất quan trọng khác như liti, coban, gali và niken.
“Đây là bước đầu tiên trong việc chuyển hóa các chiến lược nhận biết và vận chuyển phân tử tinh vi của tự nhiên thành quy trình công nghiệp bền vững, mang lại độ chọn lọc cao cho các lĩnh vực mà phương pháp hiện nay còn hạn chế,” nghiên cứu viên Harekrushna Behera, cộng tác trong phòng thí nghiệm của Kumar, cho biết.
Hình minh họa các kênh nhân tạo do nhóm nghiên cứu phát triển. Các cấu trúc nano này mô phỏng khả năng vận chuyển ion chọn lọc của protein màng tự nhiên, hoạt động như “người gác cổng” chính xác, chỉ cho phép các nguyên tố đất hiếm cụ thể đi qua trong khi chặn các ion khác. Ảnh: Đại học Texas ở Austin
