美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员发现了一种化学“变色龙”，它可以改善用于清洁能源、医疗和国家安全应用的稀土金属的提纯过程。

这项研究是与范德堡大学合作进行的，是 ORNL 化学科学部为降低获取镧系金属的门槛而做出的最新努力之一。镧系金属广泛用于从生物医学成像到工业化学品生产再到电子产品等各种产品和应用。镧系元素共有 15 种，它们与另外两种元素统称为稀土金属。

与它们的名称所暗示的相反，大多数稀土金属实际上并不稀有;镧系元素天然存在于矿石矿床中，许多元素在环境中的分布与铜和铅一样普遍。然而，这些金属之所以得到如此广泛的应用，其强大特性只有在将单个镧系元素从开采时存在的其他金属混合物中分离出来时才能发挥作用。所选金属必须经过高水平纯化，才能用于预期用途。稀有性在于这个过程的难度。

“这是一个巨大的挑战，因为镧系元素离子的尺寸和化学性质非常相似，”前 ORNL 博士后、现 ORNL 纳米材料化学组放射化学家 Subhamay Pramanik 表示。“它们之间的差别微乎其微，因此分离纯的单个镧系元素需要非常精确的分离科学。”

为了从稀土矿物溶液中分离出特定金属，科学家和工业界使用配体——一种选择性地与溶液中的特定金属结合的化合物。这些化合物被混入有机溶剂中，然后与镧系元素混合物的水基溶液混合。

和油一样，有机溶剂不会与水混合，因此会分层。如果化合物在混合过程中成功从溶液中抓住目标金属，则当溶剂和水溶液分离时，它会将金属拉入有机层。然后可以对金属进行加工并进一步纯化。

目前最好的工业分离工艺是分阶段进行的，镧系元素按特定顺序分离——从重到轻或从轻到重。这个过程既耗时又昂贵，而且会产生大量对环境不利的废物。

变色龙出现了。在研究与上述过程中使用的化合物类似的现有配体时，科学家发现了一些独特的东西：一种根据实验条件而表现不同的配体。

就像变色龙会改变颜色以适应环境一样，当周围环境发生变化时，该化合物也会改变其行为，根据溶液的酸浓度和配体与之相互作用的时间来与不同的镧系元素结合。例如，如果环境酸性更强，配体会优先与较重的镧系元素结合。

“在典型的分离系统中，配体通常对较轻或较重的镧系元素表现出偏好，”ORNL 的 Santa Jansone-Popova 说道，他是这项研究的共同负责人。“我们发现你可以使用同一种化合物进行多种不同的分离，这是令人兴奋和独特的。而且我们确定了它实现这一目标的机制。”

使用同一种化合物分离系列中的多种不同镧系元素可以减少这一常见且成本高昂的工艺所需的步骤数。此外，根据条件，本研究中的配体可以以任何顺序分离最重、最轻和中等重量的镧系元素。

其他配体不会表现出同样的行为。然而，直到现在，科学家们还不知道这种配体也会表现出同样的行为。变色龙配体看起来与其他成熟的配体相似，但行为却完全不同。既然已经知道镧系元素结合化合物具有这样的能力和系统，就可以更深入地研究这种配体，并发现更多具有类似行为的化合物。

“仅仅因为一种配体的结构看起来与另一种配体非常相似，它的行为并不一定相同，而这种理解推动了发展并突破了已知的界限，”ORNL 的 Ilja Popovs 说道，他是这项研究的共同负责人。“它有可能使分离过程更快、更清洁、更好——减少阶段数量，提供更好的选择性和纯度，并实现更环保的工艺。”

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