Los elementos de tierras raras, como el neodimio y el disprosio, son un componente fundamental para casi todas las tecnologías modernas, desde los teléfonos inteligentes hasta los discos duros, pero son notoriamente difíciles de separar de la corteza terrestre y entre sí.
Los científicos de Penn State han descubierto un nuevo mecanismo por el cual las bacterias pueden seleccionar entre diferentes elementos de tierras raras, utilizando la capacidad de una proteína bacteriana para unirse a otra unidad de sí misma, o «dimerizarse», cuando está unida a ciertas tierras raras, pero prefieren permanecer como una sola unidad, o «monómero», cuando se une a otras.
Al descubrir cómo funciona este apretón de manos molecular a nivel atómico, los investigadores han encontrado una manera de separar estos metales similares entre sí de forma rápida, eficiente y en condiciones normales de temperatura ambiente. Esta estrategia podría conducir a prácticas de reciclaje y minería más eficientes y ecológicas para todo el sector tecnológico, afirman los investigadores.
«La biología logra diferenciar las tierras raras de todos los demás metales que existen, y ahora podemos ver cómo incluso diferencia entre las tierras raras que encuentra útiles y las que no», dijo Joseph Cotruvo Jr., profesor asociado. de química en Penn State y autor principal de un artículo sobre el descubrimiento publicado hoy (31 de mayo) en la revista Naturaleza. «Estamos mostrando cómo podemos adaptar estos enfoques para la recuperación y separación de tierras raras».
Los elementos de tierras raras, que incluyen los metales lantánidos, son de hecho relativamente abundantes, explicó Cotruvo, pero son lo que los mineralogistas llaman «dispersos», lo que significa que en su mayoría están dispersos por todo el planeta en bajas concentraciones.
«Si puede recolectar tierras raras de dispositivos que ya tenemos, entonces es posible que no dependamos tanto de la extracción en primer lugar», dijo Cotruvo. Sin embargo, agregó que, independientemente de la fuente, persiste el desafío de separar una tierra rara de otra para obtener una sustancia pura.
«Ya sea que esté extrayendo los metales de la roca o de los dispositivos, aún necesitará realizar la separación. Nuestro método, en teoría, es aplicable para cualquier forma en que se recolecten tierras raras», dijo.
Todos iguales y completamente diferentes
En términos simples, las tierras raras son 15 elementos en la tabla periódica, los lantánidos, con números atómicos del 57 al 71, y otros dos elementos con propiedades similares que a menudo se agrupan con ellos. Los metales se comportan químicamente de manera similar, tienen tamaños similares y, por esas razones, a menudo se encuentran juntos en la corteza terrestre. Sin embargo, cada uno tiene distintas aplicaciones en tecnologías.
Las prácticas convencionales de separación de tierras raras requieren el uso de grandes cantidades de químicos tóxicos como queroseno y fosfonatos, similares a los químicos que se usan comúnmente en insecticidas, herbicidas y retardantes de llama, explicó Cotruvo. El proceso de separación requiere docenas o incluso cientos de pasos, utilizando estos químicos altamente tóxicos, para lograr óxidos de tierras raras individuales de alta pureza.
“Hay sacarlos de la roca, que es una parte del problema, pero para el que existen muchas soluciones”, dijo Cotruvo. «Pero te encuentras con un segundo problema una vez que están fuera, porque necesitas separar varias tierras raras entre sí. Este es el desafío más grande e interesante, discriminar entre las tierras raras individuales, porque son muy parecidas. Hemos tomó una proteína natural, que llamamos lanmodulina o LanM, y la diseñó para hacer precisamente eso».
Aprendiendo de la naturaleza
Cotruvo y su laboratorio recurrieron a la naturaleza para encontrar una alternativa al proceso de separación convencional basado en solventes, porque la biología ya ha estado cosechando y aprovechando el poder de las tierras raras durante milenios, especialmente en una clase de bacterias llamadas «metilótrofas» que a menudo se encuentran en las hojas de las plantas y en el suelo y el agua y juegan un papel importante en cómo el carbono se mueve a través del medio ambiente.
Hace seis años, el laboratorio aisló lanmodulina de una de estas bacterias y demostró que era inigualable, más de 100 millones de veces mejor, en su capacidad para unir lantánidos sobre metales comunes como el calcio. A través de trabajos posteriores, demostraron que era capaz de purificar tierras raras como un grupo de docenas de otros metales en mezclas que eran demasiado complejas para los métodos tradicionales de extracción de tierras raras. Sin embargo, la proteína fue menos buena para discriminar entre las tierras raras individuales.
Cotruvo explicó que para el nuevo estudio detallado en Nature, el equipo identificó cientos de otras proteínas naturales que se parecían más o menos a la primera lanmodulina, pero se concentraron en una que era lo suficientemente diferente (un 70 % diferente) como para sospechar que tendría algún propiedades. Esta proteína se encuentra naturalmente en una bacteria (Quercus de Hansschlegelia) aislado de yemas de roble inglés.
Los investigadores encontraron que la lanmodulina de esta bacteria exhibió fuertes capacidades para diferenciar entre tierras raras. Sus estudios indicaron que esta diferenciación provenía de la capacidad de la proteína para dimerizarse y realizar una especie de apretón de manos. Cuando la proteína se une a uno de los lantánidos más ligeros, como el neodimio, el apretón de manos (dímero) es fuerte. Por el contrario, cuando la proteína se une a un lantánido más pesado, como el disprosio, el apretón de manos es mucho más débil, de modo que la proteína favorece la forma de monómero.
«Esto fue sorprendente porque estos metales tienen un tamaño muy similar», dijo Cotruvo. «Esta proteína tiene la capacidad de diferenciarse a una escala que es inimaginable para la mayoría de nosotros: unas pocas billonésimas de metro, una diferencia que es menos de una décima parte del diámetro de un átomo».
Ajuste fino de las separaciones de tierras raras
Para visualizar el proceso a una escala tan pequeña, los investigadores se asociaron con Amie Boal, profesora de química, bioquímica y biología molecular de Penn State, quien es coautora del artículo. El laboratorio de Boal se especializa en una técnica llamada cristalografía de rayos X, que permite obtener imágenes moleculares de alta resolución.
Los investigadores determinaron que la capacidad de la proteína para dimerizarse dependiendo del lantánido al que estaba unida se reducía a un solo aminoácido, el 1% de la proteína total, que ocupaba una posición diferente con el lantano (que, como el neodimio, es un lantánido ligero) que con disprosio.
Debido a que este aminoácido es parte de una red de aminoácidos interconectados en la interfaz con el otro monómero, este cambio alteró la forma en que interactuaban las dos unidades de proteína. Cuando se eliminó un aminoácido que es un actor clave en esta red, la proteína fue mucho menos sensible a la identidad y el tamaño de las tierras raras. Los hallazgos revelaron un nuevo principio natural para el ajuste fino de las separaciones de tierras raras, basado en la propagación de diferencias minúsculas en el sitio de unión de las tierras raras a la interfaz del dímero.
Usando este conocimiento, sus colaboradores en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore demostraron que la proteína podía unirse a pequeñas perlas en una columna y que podía separar los componentes más importantes de los imanes permanentes, neodimio y disprosio, en un solo paso, a temperatura ambiente. y sin disolventes orgánicos.
«Si bien de ninguna manera somos los primeros científicos en reconocer que la dimerización sensible al metal podría ser una forma de separar metales muy similares, principalmente con moléculas sintéticas», dijo Cotruvo, «esta es la primera vez que se observa este fenómeno en la naturaleza». con los lantánidos. Esta es ciencia básica con resultados aplicados. Estamos revelando lo que la naturaleza está haciendo y nos está enseñando lo que podemos hacer mejor como químicos».
Cotruvo cree que el concepto de unir tierras raras en una interfaz molecular, de modo que la dimerización dependa del tamaño exacto del ion metálico, puede ser un enfoque poderoso para lograr separaciones desafiantes.
«Esta es la punta del iceberg», dijo. «Con una mayor optimización de este fenómeno, el problema más difícil de todos, la separación eficiente de las tierras raras que están una al lado de la otra en la tabla periódica, puede estar al alcance».
Penn State presentó una solicitud de patente basada en este trabajo y el equipo actualmente está ampliando las operaciones, ajustando y optimizando la proteína con el objetivo de comercializar el proceso.
Otros coautores de Penn State son Joseph Mattocks, Jonathan Jung, Chi-Yun Lin, Neela Yennawar, Emily Featherston y Timothy Hamilton. Ziye Dong, Christina Kang-Yun y Dan Park del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore también fueron coautores del artículo.
El trabajo fue financiado por el Departamento de Energía de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias, los Institutos Nacionales de Salud, el Fondo Conmemorativo de Investigación Médica Jane Coffin Childs y el Instituto de Materiales Críticos, un Centro de Innovación Energética financiado por la Oficina de Energía del DOE. Oficina de Eficiencia y Energías Renovables, Materiales Avanzados y Tecnologías de Fabricación. Parte del trabajo fue realizado bajo los auspicios del DOE por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.
