缓解供应链危机：美国科学家发现更环保、更高效的稀土提取法

稀土元素，被称为“工业维生素”，是支撑现代高科技产业的基石。从电动汽车的电池、风力发电机到智能手机和先进的医疗设备，几乎所有尖端技术都离不开这些关键材料。然而，稀土元素的提取和纯化过程却极其复杂、耗能巨大，并且常常涉及大量的化学溶剂，对环境造成污染。在全球贸易局势日益紧张的背景下，寻找更高效、更清洁的稀土提取技术，成为了各国加强本土供应链的关键。

最近，来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校的科学家团队，受到大自然的启发，开发出一种全新且更高效的方法来分离和收集稀土元素。这项技术的关键在于模仿生物体中天然蛋白质的运输系统，创造出人工膜通道（artificial membrane channels）。

在生物学中，这些天然通道就像细胞的“守门员”，拥有高度的选择性，只允许特定的离子通过，同时阻挡其他离子，这是大脑处理信息等许多复杂生物功能的基础。研究团队正是借鉴了这一精妙机制，设计出具有纳米级孔隙的人工膜通道。

这些人工通道的核心是一种经过修饰的分子结构，可以有效结合并阻挡钾、钠、钙等常见离子，同时精确地运输特定的稀土离子。研究人员利用这种通道，成功地实现了对中等稀土元素（如用于照明和绿色能源技术的铕Eu³⁺和铽Tb³⁺）的选择性运输。中等稀土元素因其在风力涡轮机和电动汽车电池中的重要作用，被美国能源部和欧盟委员会列为关键材料，面临供应中断的风险。

这项技术的效率提升是惊人的。在实验中，人工通道对铕的选择性，相比轻稀土元素镧（Lanthanum）高出40倍，相比重稀土元素镱（Ytterbium）高出30倍。这种高选择性远远超过了传统依赖数十个步骤的溶剂萃取法。这意味着，原本难以或效率低下的稀土来源，现在可以通过这种新方法进行经济有效的利用。

通过先进的计算机模拟，科学家们还揭示了这种高选择性的秘密：它是由稀土离子与通道之间独特的水介导相互作用驱动的。简单来说，通道可以根据离子周围水分子（即水合动力学）的不同动态和相互作用，来精确地区分不同种类的稀土离子，从而实现精准的筛选。

这项耗时超过五年的研究，不仅是基础化学和工程学领域的重大突破，更具有重大的产业意义。研究人员计划将这项膜通道技术整合到可扩展的工业系统中使用，目标是在美国本土更容易地进行离子分离，并且整个过程可以利用清洁能源驱动。更进一步，该平台未来还有潜力扩展到锂、钴、镓、镍等其他关键矿物的提取和回收，为全球能源转型和供应链安全提供一个可持续、高效率的解决方案。

参考资料:DOI:10.1021/acsnano.4c17675