Los mejillones inspiran un eco

La capacidad única y notable de los mejillones para adherirse a superficies submarinas, como las rocas, ha inspirado una forma nueva, más eficiente y respetuosa con el medio ambiente de extraer elementos críticos de tierras raras. Crédito: Proporcionado por Sheikhi Lab/Penn State. Reservados todos los derechos.

9 de agosto de 2023

Por Jamie Oberdick

UNIVERSITY PARK, Pa. — Existe un enigma en torno a los elementos de tierras raras (REE). Desempeñan un papel clave en la energía limpia, vital para la producción de baterías ligeras y eficientes y componentes esenciales de las turbinas eólicas. Por el contrario, la extracción convencional de estos elementos plantea preocupaciones ambientales que van desde la destrucción del hábitat hasta la contaminación del agua y del aire y la gran cantidad de energía necesaria para extraer y procesar estos elementos.

Para resolver este dilema, los investigadores de Penn State encontraron inspiración bajo el mar: la pegajosidad del mejillón. Al imitar este pegamento natural, los investigadores desarrollaron un nuevo recubrimiento de nanocelulosa (MINC) inspirado en el mejillón que ha demostrado lo que llaman una capacidad "notable, incluso sorprendente" para recuperar REE de fuentes secundarias, como aguas residuales industriales, sin utilizar una gran cantidad de energía. .

Publicaron el trabajo el 31 de julio en ACS Applied Materials and Interfaces. Aparecerá en la portada de la revista en septiembre.

Los mejillones tienen una notable capacidad para adherirse a superficies bajo el agua gracias a las propiedades adhesivas de las moléculas a base de catecol que se encuentran en las proteínas del mejillón. El MINC refleja esto al consistir en nanocristales de celulosa peludos ultrapequeños con propiedades excepcionalmente pegajosas. El MINC se aplica a un sustrato mediante una técnica llamada formación de capa publicitaria mediada por dopamina. Una reacción química permite que el MINC forme una fina capa de moléculas sobre una superficie, lo que lo hace capaz de adherirse a una amplia gama de sustratos.

"El enfoque MINC ofrece una alternativa sostenible y ecológica a los métodos de extracción convencionales, minimizando la huella ambiental y contribuyendo a la disponibilidad a largo plazo de elementos críticos", dijo el autor principal Amir Sheikhi, profesor asistente de ingeniería química e ingeniería biomédica. Por cortesia.

Los investigadores se centraron en aplicar MINC para extraer un REE particular, el neodimio. El Departamento de Energía de EE.UU. catalogó al neodimio como un material crítico debido a la escasez de suministro y su alto impacto en las tecnologías sostenibles emergentes como las baterías de automóviles eléctricos y los imanes utilizados en sistemas de energía para vehículos eléctricos y turbinas eólicas. Sin embargo, la parte "rara" de las tierras raras es especialmente cierta con el neodimio, ya que la falta de un suministro listo para extraer de este elemento crítico obliga a extraerlo de fuentes secundarias, como el reciclaje de aguas residuales industriales. Según Sheikhi, esto puede resultar ineficiente y consumir mucha energía.

"El suministro global limitado de neodimio y el impacto ambiental de los métodos de extracción actuales requieren el desarrollo de enfoques ecológicos y sostenibles para la recuperación de REE", dijo Sheikhi, explicando que las técnicas de extracción convencionales utilizan cantidades significativas de químicos tóxicos, como el queroseno, para purificar el elemento objetivo. "Los métodos anteriores de extracción de tierras raras han utilizado adsorbentes como geles de alginato, materiales sol-gel de fósforo, nanotubos y carbono poroso, pero estas técnicas demuestran una eficiencia limitada".

Amir Sheikhi, profesor asistente de ingeniería química e ingeniería biomédica, por cortesía (izquierda) y Dawson Alexander, investigador universitario del Sheikhi Research Group, coautor junto con Sheikhi del artículo publicado en ACS Applied Materials and Interfaces. . Crédito: Grupo de Investigación Sheikhi. Reservados todos los derechos.

El recubrimiento MINC es para el neodimio lo que un imán es para el hierro, sacando el REE del agua, incluso cuando el elemento solo está presente en cantidades tan limitadas como partes por millón.

"El desafío en la extracción de neodimio radica en lograr una eliminación eficiente y selectiva del mismo en bajas concentraciones", dijo Sheikhi. "El MINC presentado en este estudio ofrece una mayor selectividad y capacidad para la eliminación de neodimio, superando las limitaciones de los métodos anteriores".

Esta selectividad permite a MINC evitar recuperar elementos no deseados como el sodio y el calcio, que según Sheikhi serían una pérdida de tiempo y energía si tuvieran que filtrarse para refinar aún más el neodimio.

"El público y la sociedad se beneficiarán de este trabajo a través del potencial de una mayor disponibilidad de neodimio, un elemento crucial no sólo para desarrollar tecnologías de energía limpia, sino también para crear nuevos dispositivos médicos y electrónicos", dijo Sheikhi, señalando que planea investigar cómo puede funcionar el método MINC para extraer otros REE. "Al proporcionar un método sostenible y eficiente para la recuperación de neodimio, esta investigación contribuye al avance de estas tecnologías y ayuda a abordar las preocupaciones sobre la escasez de suministro y, a su vez, aumentará la posibilidad de trasladar esta tecnología a otros esfuerzos de recuperación de REE en el futuro".

Junto con Sheikhi, otros autores del artículo del equipo de Sheikhi incluyen a Shang-Lin Yeh, candidato a doctorado en ingeniería química; Dawson Alexander, estudiante universitario de ingeniería química; Naveen Narasimhalu, estudiante universitario de ingeniería química; y Roya Koshani, investigadora postdoctoral en ingeniería química. Esta investigación fue apoyada por el programa Green Student Seed Grant de Energy and Environmental Sustainability Laboratories y la Beca de Posgrado en Emprendimiento Diefenderfer de la Facultad de Ingeniería de Penn State.

Jamie Oberdick

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