Los elementos de tierras raras son fundamentales para tecnologías modernas, desde motores de vehículos eléctricos y turbinas eólicas hasta escáneres de resonancia magnética y teléfonos inteligentes. Sin embargo, antes de poder utilizarse, estos 17 elementos—que incluyen los 15 lantánidos, más escandio e itrio—deben separarse entre sí, un proceso que actualmente depende de cantidades masivas de ácidos y disolventes orgánicos, convirtiéndolo en uno de los pasos más contaminantes y costosos de la cadena de suministro global.

"Los elementos de tierras raras de alta pureza son esenciales para las tecnologías modernas, pero los procesos actuales de extracción con disolventes requieren mucha energía y son ambientalmente dañinos debido a la selectividad inadecuada y la toxicidad de los ligandos", señalaron los autores del estudio.

El desafío fundamental radica en que los 17 elementos de tierras raras siempre se encuentran mezclados en la naturaleza, ya sea en minerales o en corrientes de residuos. "Las tierras raras siempre vienen mezcladas, ya sea en un mineral o en una corriente de residuos, y separarlas entre sí es un segundo paso muy desafiante incluso después de haberlas extraído de todo lo demás", explicó Jiadong Liu, uno de los autores del estudio y estudiante de posgrado en la Universidad de Chicago.

Durante décadas, la separación de elementos de tierras raras ha permanecido como uno de los mayores cuellos de botella en la cadena de suministro global. Investigaciones anteriores han explorado nuevas membranas, moléculas selectivas y enfoques electroquímicos para hacer el proceso de refinación más limpio, pero distinguir entre elementos cuyas propiedades difieren solo por fracciones minúsculas ha permanecido excepcionalmente difícil.

En lugar de diseñar nuevos químicos para reconocer cada elemento, el equipo de investigadores adoptó un enfoque diferente: aprovecharon la estructura física de un mineral estratificado, permitiendo que el material mismo realizara gran parte de la clasificación. "Esta es la primera vez que las personas han utilizado intercalación electroquímica y han aprovechado las características estructurales para separar lantánidos similares, que son intrínsecamente muy difíciles de separar", dijo Chong Liu, uno de los autores del estudio y profesor en la Universidad de Chicago.

El método se basa en una forma estratificada de óxido de manganeso que forma naturalmente pilas con espacios estrechos, o canales, entre sus capas. Estos espacios tienen solo unos pocos anchos de moléculas de agua, lo suficientemente pequeños para discriminar entre iones de tierras raras basándose en cómo viajan a través del agua.

Este detalle aparentemente menor resulta ser crucial. Aunque los elementos de tierras raras se comportan casi idénticamente desde el punto de vista químico, cada ion disuelto lleva una capa de moléculas de agua alrededor de él. Las tierras raras más ligeras, como el lantano, mantienen una capa de hidratación ligeramente más grande, mientras que las más pesadas, como el disprosio, llevan una más compacta. La diferencia es increíblemente pequeña, pero los investigadores se dieron cuenta de que podría volverse significativa si los canales dentro del material se diseñaban con las dimensiones correctas.

Cuando se introdujeron mezclas de elementos de tierras raras en el óxido de manganeso estratificado, los elementos más pesados—con sus capas de hidratación más pequeñas—se ajustaban más cómodamente dentro de los canales estrechos y se unían fuertemente al material. Los elementos más ligeros, que llevaban capas de agua más voluminosas, empujaban las capas hacia afuera al entrar. Esta expansión debilitaba su interacción con el material, dividiendo naturalmente la mezcla en grupos más pesados y más ligeros sin utilizar la extracción tradicional con disolventes.

Para entender exactamente por qué funcionaba la separación, los investigadores combinaron experimentos con modelado computacional avanzado. Utilizaron la teoría funcional de la densidad, una técnica de simulación mecánica cuántica que predice cómo se comportan los átomos y electrones, para examinar la disposición de moléculas de agua alrededor de cada ion de tierra rara dentro de los canales confinados. Mientras tanto, científicos del Laboratorio Nacional de Argonne recopilaron mediciones de rayos X de sincrotrón para observar el material experimentalmente.

El acuerdo notable entre las simulaciones y los datos de rayos X confirmó que las pequeñas diferencias en las capas de hidratación impulsaban el comportamiento de unión selectiva, proporcionando una explicación a nivel atómico que los experimentos por sí solos no podrían revelar directamente.

El sistema inicial separó exitosamente las tierras raras más ligeras de las más pesadas, pero muchos elementos vecinos comercialmente importantes seguían siendo demasiado similares para distinguirse eficientemente. Para resolver este problema, los investigadores introdujeron iones de magnesio y aplicaron una corriente eléctrica.

Los iones de magnesio actuaron como pequeños refuerzos dentro del óxido de manganeso. Normalmente, cuando iones hidratados más grandes entran en el material estratificado, fuerzan que los canales se expandan. El magnesio previno esa expansión a través de lo que los investigadores llaman un efecto de "fijación", bloqueando el espaciado entre las capas en su lugar.

"Al fijar el canal para que no pueda expandirse en absoluto, forzamos esa pequeña diferencia en el comportamiento a convertirse en una diferencia mucho mayor en cuán fuertemente se une cada elemento", explicó Siqi Zou, uno de los autores del estudio e investigador asistente de la Universidad de Chicago.

Una vez que los canales no pudieron estirarse más, incluso las pequeñas diferencias en el tamaño de hidratación se tradujeron en diferencias mucho mayores en cuán fuertemente cada elemento de tierra rara se adhería al material. Este simple ajuste mejoró dramáticamente el rendimiento. El enriquecimiento de neodimio sobre lantano aumentó de una diferencia de 1,6 veces a 5,4 veces. Después de solo dos ciclos de purificación, los investigadores produjeron neodimio con una pureza del 97 por ciento.

Ganancias similares se observaron para otras combinaciones de tierras raras, sugiriendo que controlar el tamaño del canal podría convertirse en una estrategia general para separar elementos que han resistido durante mucho tiempo la purificación eficiente.

Los investigadores enfatizan que la tecnología aún se encuentra en la etapa de prueba de concepto en lugar de estar lista para el refinamiento comercial de tierras raras. Sin embargo, si se demuestra que tiene éxito a escala en el futuro, podría traer un cambio drástico en la industria de procesamiento de tierras raras.

"En este momento, los minerales de tierras raras se extraen en todo el mundo, pero casi todos terminan siendo enviados al extranjero para su procesamiento. Un método como este que solo usa agua y electricidad en lugar de disolventes orgánicos es el tipo de tecnología que podría realmente cambiar cómo y dónde se realiza ese procesamiento", dijo George Schatz, uno de los autores del estudio y profesor de química en la Universidad Northwestern.

Los próximos pasos incluyen probar el método en más pares de lantánidos, mejorar la eficiencia de separación, evaluar la durabilidad a largo plazo del material y refinar los modelos computacionales para entender mejor el mecanismo de "fijación" del magnesio.

Más allá de los elementos de tierras raras, el estudio establece un principio de diseño más amplio para la separación de iones. Al ajustar con precisión los canales nanométricos para explotar diferencias en capas de hidratación—diferencias más pequeñas que un angstrom—materiales similares podrían eventualmente adaptarse para otras separaciones difíciles, incluyendo reciclaje de baterías y recuperación de minerales críticos.