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Elementos de terras raras, como neodímio e disprósio, são um componente crítico para quase todas as tecnologias modernas, de smartphones a discos rígidos, mas são notoriamente difíceis de separar da crosta terrestre e uns dos outros.
Cientistas da Penn State descobriram um novo mecanismo pelo qual as bactérias podem selecionar entre diferentes elementos de terras raras, usando a capacidade de uma proteína bacteriana de se ligar a outra unidade de si mesma, ou “dimerizar”, quando está ligada a certas terras raras, mas prefere permanecer uma única unidade, ou “monômero”, quando ligada a outras.
Ao descobrir como esse aperto de mão molecular funciona no nível atômico, os pesquisadores encontraram uma maneira de separar esses metais semelhantes uns dos outros de forma rápida, eficiente e sob condições normais de temperatura ambiente. Essa estratégia pode levar a práticas de mineração e reciclagem mais eficientes e ecológicas para todo o setor de tecnologia, afirmam os pesquisadores.
“A biologia consegue diferenciar as terras raras de todos os outros metais que existem – e agora podemos ver como ela diferencia as terras raras que considera úteis e as que não considera”, disse Joseph Cotruvo Jr., professor associado de química na Penn State e principal autor de um artigo sobre a descoberta publicado hoje (31 de maio) na revista Natureza. “Estamos mostrando como podemos adaptar essas abordagens para recuperação e separação de terras raras”.
Elementos de terras raras, que incluem os metais lantanídeos, são de fato relativamente abundantes, explicou Cotruvo, mas são o que os mineralogistas chamam de “dispersos”, o que significa que estão espalhados pelo planeta em baixas concentrações.
“Se você pode colher terras raras de dispositivos que já temos, então podemos não ser tão dependentes de minerá-las em primeiro lugar”, disse Cotruvo. No entanto, ele acrescentou que, independentemente da fonte, permanece o desafio de separar uma terra rara da outra para obter uma substância pura.
“Se você está extraindo os metais da rocha ou de dispositivos, você ainda vai precisar realizar a separação. Nosso método, em teoria, é aplicável para qualquer forma de colheita de terras raras”, disse ele.
Tudo igual – e completamente diferente
Em termos simples, as terras raras são 15 elementos da tabela periódica – os lantanídeos, com números atômicos de 57 a 71 – e dois outros elementos com propriedades semelhantes que costumam ser agrupados com eles. Os metais se comportam quimicamente de maneira semelhante, têm tamanhos semelhantes e, por esses motivos, costumam ser encontrados juntos na crosta terrestre. No entanto, cada um tem aplicações distintas em tecnologias.
As práticas convencionais de separação de terras raras exigem o uso de grandes quantidades de produtos químicos tóxicos, como querosene e fosfonatos, semelhantes aos produtos químicos comumente usados em inseticidas, herbicidas e retardadores de chama, explicou Cotruvo. O processo de separação requer dezenas ou mesmo centenas de etapas, usando esses produtos químicos altamente tóxicos, para obter óxidos de terras raras individuais de alta pureza.
“É preciso tirá-los da rocha, que é uma parte do problema, mas para o qual existem muitas soluções”, disse Cotruvo. “Mas você se depara com um segundo problema quando eles saem, porque você precisa separar várias terras raras umas das outras. Este é o maior e mais interessante desafio, discriminar entre as terras raras individuais, porque elas são muito parecidas. Nós pegamos uma proteína natural, que chamamos de lanmodulina ou LanM, e a projetamos para fazer exatamente isso.”
Aprendendo com a natureza
Cotruvo e seu laboratório recorreram à natureza para encontrar uma alternativa ao processo convencional de separação à base de solvente, porque a biologia já colhe e aproveita o poder das terras raras há milênios, especialmente em uma classe de bactérias chamadas “metilotróficas” que frequentemente são encontradas nas folhas das plantas e no solo e na água e desempenham um papel importante na forma como o carbono se move através do ambiente.
Seis anos atrás, o laboratório isolou a lanmodulina de uma dessas bactérias e mostrou que ela era incomparável – mais de 100 milhões de vezes melhor – em sua capacidade de ligar lantanídeos a metais comuns como o cálcio. Por meio de trabalhos subsequentes, eles mostraram que era capaz de purificar terras raras como um grupo de dezenas de outros metais em misturas muito complexas para os métodos tradicionais de extração de terras raras. No entanto, a proteína foi menos boa em discriminar entre as terras raras individuais.
Cotruvo explicou que, para o novo estudo detalhado na Nature, a equipe identificou centenas de outras proteínas naturais que se pareciam mais ou menos com a primeira lanmodulina, mas se concentraram em uma que era diferente o suficiente – 70% diferente – que eles suspeitavam que teria algumas propriedades distintas. propriedades. Esta proteína é encontrada naturalmente em uma bactéria (Hansschlegelia quercus) isolado de botões de carvalho inglês.
Os pesquisadores descobriram que a lanmodulina desta bactéria exibiu fortes capacidades para diferenciar entre terras raras. Seus estudos indicaram que essa diferenciação veio de uma capacidade da proteína de dimerizar e realizar uma espécie de aperto de mão. Quando a proteína se liga a um dos lantanídeos mais leves, como o neodímio, o aperto de mão (dímero) é forte. Por outro lado, quando a proteína se liga a um lantanídeo mais pesado, como o disprósio, o aperto de mão é muito mais fraco, de modo que a proteína favorece a forma de monômero.
“Isso foi surpreendente porque esses metais são muito semelhantes em tamanho”, disse Cotruvo. “Essa proteína tem a capacidade de se diferenciar em uma escala inimaginável para a maioria de nós – alguns trilionésimos de metro, uma diferença menor que um décimo do diâmetro de um átomo.”
Ajustando as separações de terras raras
Para visualizar o processo em uma escala tão pequena, os pesquisadores se uniram a Amie Boal, professora de química, bioquímica e biologia molecular da Penn State, que é coautora do artigo. O laboratório de Boal é especializado em uma técnica chamada cristalografia de raios-X, que permite imagens moleculares de alta resolução.
Os pesquisadores determinaram que a capacidade da proteína de dimerizar dependente do lantanídeo ao qual estava ligada se resumia a um único aminoácido – 1% de toda a proteína – que ocupava uma posição diferente do lantânio (que, como o neodímio, é um lantanídeo leve) do que com disprósio.
Como esse aminoácido faz parte de uma rede de aminoácidos interconectados na interface com o outro monômero, essa mudança alterou a forma como as duas unidades de proteína interagem. Quando um aminoácido importante nessa rede foi removido, a proteína ficou muito menos sensível à identidade e ao tamanho das terras raras. As descobertas revelaram um novo princípio natural para ajustar as separações de terras raras, com base na propagação de diferenças minúsculas no local de ligação de terras raras à interface do dímero.
Usando esse conhecimento, seus colaboradores do Lawrence Livermore National Laboratory mostraram que a proteína poderia ser amarrada a pequenas esferas em uma coluna e que poderia separar os componentes mais importantes de ímãs permanentes, neodímio e disprósio, em uma única etapa, à temperatura ambiente. e sem quaisquer solventes orgânicos.
“Embora não sejamos os primeiros cientistas a reconhecer que a dimerização sensível a metais pode ser uma forma de separar metais muito semelhantes, principalmente com moléculas sintéticas”, disse Cotruvo, “esta é a primeira vez que esse fenômeno foi observado na natureza. com os lantanídeos. Esta é a ciência básica com resultados aplicados. Estamos revelando o que a natureza está fazendo e está nos ensinando o que podemos fazer melhor como químicos.”
Cotruvo acredita que o conceito de ligação de terras raras em uma interface molecular, de modo que a dimerização dependa do tamanho exato do íon metálico, pode ser uma abordagem poderosa para realizar separações desafiadoras.
“Esta é a ponta do iceberg”, disse ele. “Com a otimização desse fenômeno, o problema mais difícil de todos – a separação eficiente de terras raras que estão próximas umas das outras na tabela periódica – pode estar ao alcance”.
Um pedido de patente foi registrado pela Penn State com base neste trabalho e a equipe está atualmente ampliando as operações, ajustando e simplificando a proteína com o objetivo de comercializar o processo.
Outros coautores da Penn State são Joseph Mattocks, Jonathan Jung, Chi-Yun Lin, Neela Yennawar, Emily Featherston e Timothy Hamilton. Ziye Dong, Christina Kang-Yun e Dan Park, do Lawrence Livermore National Laboratory, também são co-autores do artigo.
O trabalho foi financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, pela National Science Foundation, pelos National Institutes of Health, pelo Jane Coffin Childs Memorial Fund for Medical Research e pelo Critical Materials Institute, um hub de inovação em energia financiado pelo DOE, Office of Energy Escritório de Eficiência e Energias Renováveis, Materiais Avançados e Tecnologias de Fabricação. Parte do trabalho foi realizada sob os auspícios do DOE pelo Lawrence Livermore National Laboratory.
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