Một khám phá mới từ các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas ở Austin, Hoa Kỳ có thể thay đổi cách chúng ta thu thập các nguyên tố đất hiếm, vật liệu thiết yếu sử dụng trong chế tạo điện thoại thông minh, xe điện, turbine gió và các công nghệ tiên tiến khác.

Các nguyên tố đất hiếm được chia thành các loại nhẹ, trung bình và nặng, mỗi loại có công dụng riêng. Các nguyên tố đất hiếm trung bình, như europium và terbium, đặc biệt quan trọng để chế tạo nam châm sử dụng trong các công nghệ xanh, cũng như trong chiếu sáng và màn hình như tivi, đèn LED.

Tuy nhiên, hiện nay rất khó để chiết xuất và tinh chế các nguyên tố này, đặc biệt là theo cách thân thiện với môi trường. Để giải quyết thách thức này, các nhà nghiên cứu tìm đến thiên nhiên để lấy cảm hứng. Trong cơ thể chúng ta, các tế bào sử dụng các protein đặc biệt trong màng của chúng để cho một số ion nhất định đi vào, trong khi ngăn các ion khác đi ra.

Các protein này hoạt động như người gác cổng nhỏ bé, chỉ cho phép các chất cụ thể đi qua. Từ ý tưởng này, nhóm nghiên cứu đã phát triển kênh màng nhân tạo, gồm các lỗ nhỏ kiểm soát các ion nào có thể di chuyển qua. Các kênh mới này sử dụng một cấu trúc gọi là pillararene được sửa đổi để có tính chọn lọc cao.

Các kênh được thiết kế để cho một số nguyên tố đất hiếm nhất định, như europium và terbium, đi qua trong khi chặn các ion phổ biến như natri, kali và canxi. Kết quả là tạo ra một hệ thống có tính chọn lọc cao hơn nhiều so với các phương pháp hóa học truyền thống, thường đòi hỏi nhiều bước và hóa chất mạnh.

Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, các kênh cho thấy sự ưu tiên mạnh mẽ đối với các nguyên tố đất hiếm trung bình. Ví dụ, chúng có khả năng vận chuyển europium cao hơn 40 lần so với lanthanum (một nguyên tố đất hiếm nhẹ) và khả năng vận chuyển europium cao hơn 30 lần so với ytterbium (một nguyên tố đất hiếm nặng).

Sử dụng các mô hình máy tính tiên tiến, các nhà nghiên cứu phát hiện các kênh hoạt động rất tốt vì cách chúng tương tác với các phân tử nước bao quanh các ion. Những tương tác dựa trên nước giúp các kênh phân biệt các ion khác nhau, ngay cả khi chúng giống nhau về mặt hóa học. Những kết quả này hứa hẹn cho việc xây dựng các hệ thống tốt hơn để phân tách các vật liệu.