منذ اقتراح الجدول الدوري لمندليف، يُعد فصل العناصر اللانثانيدية واحدًا من أكثر المشكلات تعقيدًا في مجال الكيمياء والتعدين. لا يتجاوز الاختلاف في نصف قطر الأيونات بين 15 عنصرًا لانثانيديًا حوالي 0.01 أنجستروم، أي ما يعادل جزءًا من سبعة ملايين من سمك شعرة واحدة. قام فريق من معهد قوانغتشو للكيمياء الجيولوجية التابع للأكاديمية الصينية للعلوم بنشر أحدث نتائجه في مجلة نيتشر، محققًا لأول مرة فرزًا دقيقًا على المستوى الذري للعناصر اللانثانيدية بنسبة انتقائية تصل إلى 100%. يُوصف هذا الإنجاز التكنولوجي بأنه "مُقلب للموازين" ويوفر حلاً جديدًا لتصنيع المعادن الأرضية النادرة عالية النقاء ومعالجة النفايات النووية.

“مأزق الفصل” الذي دام قرنًا

تُعرف العناصر اللانثانيدية باسم “مُحسّنات الصناعة”، وتُستخدم على نطاق واسع في مجالات متطورة مثل الهواتف الذكية، والمغناطيسات الدائمة في مولدات الرياح، والتوجيه بالليزر، والتصوير الطبي. يتميز كل من العناصر الخمسة عشر بخصائص فيزيائية وكيميائية فريدة مثل الخصائص الضوئية والكهربائية والمغناطيسية والتحفيزية، مما يجعلها موادًا أساسية لا غنى عنها لصناعات التكنولوجيا الفائقة.

ومع ذلك، ظل استخراج العناصر اللانثانيدية عالية النقاء على مدى أكثر من قرن يعاني من “انكماش اللانثانيدات” — حيث يبلغ متوسط فرق نصف القطر الأيوني للعناصر المتجاورة حوالي 0.01 أنجستروم فقط، مما يجعل خصائصها الكيميائية متشابهة للغاية ويصعب فصلها بدقة.

تعتمد تقنية الاستخلاص بالمذيبات التقليدية على الاستخلاص المتعدد المراحل والمتسلسل، مما يؤدي إلى استهلاك عالٍ للطاقة وكميات كبيرة من انبعاثات النفايات السائلة. يتطلب فصل طن واحد من أكاسيد العناصر الأرضية النادرة عادةً استهلاك عدة أطنان من المواد الكيميائية وإنتاج كميات كبيرة من المخلفات المشعة. يعمل الاستخلاص بالمذيبات على إذابة العناصر اللانثانيدية في محلول حمضي، والاعتماد على “رقصة” جزيئات المادة المستخلصة لدخول الطور العضوي بشكل انتقائي. على الرغم من التحسينات الكبيرة في هذه الطريقة منذ تصنيعها في ستينيات القرن العشرين، إلا أنها ظلت محصورة في مفهوم “اختلاف الألفة الكيميائية”، دون تحقيق فرز فيزيائي حقيقي يعتمد على الحجم، ناهيك عن الوصول إلى الدقة على المستوى الذري.

مع النمو الهائل في الطلب على المعادن الرئيسية في مجالات مثل الطاقة الجديدة والإلكترونيات، لم يعد نمط الفصل التقليدي القائم على “التنقية المتعددة المراحل والمتدرجة” قادرًا على تلبية الاحتياجات. تحتاج الصناعة بشكل عاجل إلى تقنية جديدة قادرة على تحقيق فصل دقيق للعناصر اللانثانيدية على المستوى الجزيئي وحتى الذري.

اختراق في تقنية الأغشية، بنسبة انتقائية 100%

من “الاستخلاص الكيميائي” إلى “الفرز الذري”

صمم فريق البحث مسارًا جديدًا للفصل يعتمد على بناء مواد غشائية ذات قنوات نانوية عالية الدقة، باستخدام آلية فرز الأيونات لتحقيق فصل دقيق على المستوى الذري للعناصر اللانثانيدية المتشابهة جدًا في الخصائص، بنسبة انتقائية تصل إلى 100%، مما يكسر النموذج التقليدي للفصل المعتمد على اختلاف الألفة الكيميائية في الاستخلاص.

في استراتيجية الفصل، أظهرت النتائج الحديثة جدوى هذا النهج: في نظام الاستخلاص، زادت النسبة المئوية لنفاذ العناصر اللانثانيدية بشكل ملحوظ، وتسارعت حركية النفاذ لتصل إلى 95% خلال 24 ساعة، مما يشير إلى أن الفرز القائم على حجم القناة يمكنه فصل الأيونات ذات الأحجام المختلفة تمامًا إلى جوانب مختلفة.

التعاون المتزامن بين مادة الغشاء والربيطة للكشف الدقيق

أثرت نتائج الأبحاث اللاحقة مسارات الفرز بشكل أكبر: من خلال محاكاة آلية امتصاص الأيونات المفردة في قنوات الكالسيوم البيولوجية، تم بناء هيكل قناة قادر على امتصاص الأيونات المستهدفة في صف واحد، وتحويل مادة الامتصاص مباشرة إلى غشاء فصل، مما يتيح النفاذ السريع لأيونات المعادن المستهدفة مع رفض الأيونات المنافسة بدقة، مما يكسر من الناحية النظرية عقبة التوافق الضعيف بين أغشية الفصل التقليدية وأيونات المعادن الثقيلة.

في الوقت نفسه، من خلال تصميم تفاعل تنسيقي محدد بين الربيطة المخلبية والأيونات المعدنية، تم فصل العناصر بدقة تحت ظروف معتدلة، مما يوفر أداة جزيئية جديدة للتخصيب الفعال للعناصر اللانثانيدية. يشكل هذان المساران معًا ضمانة مزدوجة لـ “التعرف الجزيئي + الفرز النانوي المحصور”، بحيث يتم “التعرف بدقة” على كل أيون في اللحظة التي يعبر فيها الغشاء.

قابلية التوسع لمهام فصل النفايات النووية والمعقدة

تمتلك الاستراتيجية الجديدة أيضًا قابلية توسع قوية في معالجة الوقود المستهلك وفصل العناصر الأرضية النادرة. من خلال ربط التأكسد الكيميائي ببساطة مع فرز أغشية الأكسيد الجرافيني (GOM) والاستخلاص بالمذيبات، يمكن تحقيق فصل جماعي فعال للعناصر اللانثانيدية والأكتينيدية تحت ظروف حمضية عالية. في المحاليل الحمضية القوية، تتأكسد العناصر الأكتينيدية إلى أيونات أكتينيل خطية، بينما تبقى العناصر اللانثانيدية كروية، مما يؤدي إلى اختلاف كبير في الحجم والتكوين الفراغي، ويمكن فرزها من خلال أحجام قنوات GOM المحددة. يمكن توقع إمكانية تعديل وتوسيع استراتيجية الفصل بشكل أكبر لإنجاز مهام فصل أخرى في دورة الوقود النووي.

من المواد عالية النقاء إلى معالجة النفايات النووية

إحداث قفزة في تصنيع المعادن الأرضية النادرة عالية النقاء، مع تقليل التكاليف وزيادة الكفاءة

عانت مجالات مثل المواد الفلورية القائمة على العناصر اللانثانيدية، وبلورات الليزر، وأهداف المعادن الأرضية النادرة عالية النقاء لفترة طويلة من قيود النقاء. يمكن لتقنية الفرز الذري رفع نقاء استخلاص أيونات لانثانيدية محددة إلى مستوى غير مسبوق، مما يضع الأساس لتصنيع مواد متطورة جديدة. من خلال إدخال مرحلة فرز دقيق في عملية التعدين المائي للعناصر الأرضية النادرة، يمكن تقصير عملية الاستخلاص المتعددة المراحل التقليدية بشكل كبير، وتقليل استهلاك الأحماض والقواعد وانبعاثات المخلفات المشعة، مما يحقق “التعدين الأخضر” و “الاستخدام عالي القيمة”.

التغلب على “التحدي العالمي” في معالجة النفايات النووية

في معالجة الوقود النووي المستهلك، يُعد فصل الأكتينيدات عن اللانثانيدات المشكلة الأساسية في إدارة النفايات النووية (حيث أن سلوكها الكيميائي متشابه جدًا). من خلال تأكسد العناصر الأكتينيدية مثل اليورانيوم والنيبتونيوم والبلوتونيوم إلى أيونات خطية، لتشكيل اختلاف في التكوين مع أيونات اللانثانيدات الكروية، ومن خلال الجمع مع غشاء فصل يتم التحكم بدقة في حجم قنواته، يمكن توقع تحقيق متطلبات نقاء الفصل بنسبة جزء في المليون، وتوفير دعم تقني رئيسي لتقليل حجم النفايات المشعة عالية النشاط والتخلص الجيولوجي منها، مما يقلل بشكل كبير من المخاطر البيئية طويلة المدى للنفايات النووية.

دعم الأمن الاستراتيجي للمعادن الرئيسية والاستخدام الفعال للموارد

يمكن لتقنية الفرز الذري أيضًا خدمة أنظمة فصل العناصر المتشابهة جدًا، مثل الفصل المتزامن للعناصر اللانثانيدية، واستخراج النظائر الخاصة، وتوسيع ذلك ليشمل التحضير فائق النقاء للمعادن الرئيسية مثل الجاليوم والإنديوم والزركونيوم والهافنيوم والتانتالوم والنيوبيوم. من خلال دمج مواد الامتصاص مع الفصل الغشائي، يمكن إعادة هيكلة عمليات استخراج الموارد — من “الاستخراج الكامل أولاً ثم الفصل” إلى “الفرز والتخصيب المتزامنين”، مما يحقق استقرار سلسلة توريد المعادن الرئيسية وزيادة استفادة الموارد إلى أقصى حد.