چگونه فرآیندهای شیمیایی نوین و دوستدار محیط زیست می‌توانند به سلطه چین بر عناصر خاکی کمیاب پایان دهند

گلوگاه جهانی در زمینه عناصر خاکی کمیاب، استخراج آنها از زمین نیست؛ بلکه جداسازی آنها از یکدیگر است. برای دهه‌ها، این صنعت به صدها حمام اسیدی سمی و پرمصرف انرژی برای جداسازی این فلزات وابسته بوده است. این فرآیند تقریباً به طور کامل تحت سلطه چین است، کشوری که حدود ۹۰ درصد از ظرفیت جهانی جداسازی و فرآوری را در اختیار دارد. اکنون، نسل جدیدی از فرآیندهای شیمیایی و بیولوژیکی دوستدار محیط زیست ثابت می‌کنند که این فلزات حیاتی را می‌توان به روشی پاک جداسازی کرد. شیمی این روش‌ها کارآمد است. سؤال اصلی این است که آیا می‌توانند به اندازه کافی سریع مقیاس‌پذیر شوند تا انحصار جهانی را بشکنند.[5]

برای درک این پیشرفت‌ها، باید به ساختار اتمی ۱۷ عنصر خاکی کمیاب نگاه کنید. آنها از نظر شیمیایی تقریباً یکسان هستند و تعداد الکترون‌های مشابهی در بیرونی‌ترین لایه‌های خود دارند. از آنجا که آنها در واکنش‌های شیمیایی به یک شکل رفتار می‌کنند، جداسازی یک قطعه سنگ معدن استخراج شده به نئودیمیم یا دیسپروزیم خالص، به شدت دشوار است.[5]

روش رایج فعلی، یعنی هیدرومتالورژی، متکی بر نیروی خام است. سنگ معدن در حلال‌های قوی مانند اسید سولفوریک یا هیدروکلریک حل می‌شود و محلول از صدها مرحله متوالی استخراج مایع-مایع عبور داده می‌شود. این روش بسیار مؤثر است اما مقادیر عظیمی زباله سمی تولید می‌کند که اغلب آغشته به توریم و اورانیوم رادیواکتیو هستند.[3]

موج جدیدی از علم مواد در حال تغییر اساسی این سازوکار است. محققان به جای تکیه بر واکنش‌های اکسیداسیون سنتی در مراحل بی‌شمار، فیلترهای مولکولی بسیار انتخابی را توسعه می‌دهند. به عنوان مثال، یک دستاورد در سال ۲۰۲۵ که در مجله ACS Nano منتشر شد، استفاده از کانال‌های غشایی مصنوعی را نشان داد که از پروتئین‌های انتقال بیولوژیکی تقلید می‌کنند.[2]

این کانال‌های مصنوعی از یک ساختار مولکولی اصلاح شده به نام پیلارآرن (pillararene) استفاده می‌کنند. این منافذ ریز که در یک غشاء تعبیه شده‌اند، به عنوان نگهبانان مولکولی عمل می‌کنند. آنها به گونه‌ای مهندسی شده‌اند که یون‌های رایج مانند سدیم و کلسیم را مسدود کرده و به طور انتخابی به عناصر خاکی کمیاب میانی – مانند یوروپیم و تربیوم – اجازه عبور دهند.[2]

با قفل شدن بر روی عنصر هدف با میل ترکیبی بالا، سیستم آن را بدون نیاز به شستشوی اسیدی تکراری و پرهزینه از مخلوط بیرون می‌کشد. این امر به شدت ضایعات شیمیایی و مصرف انرژی را کاهش می‌دهد و مسیری را برای انجام جداسازی یون‌ها با استفاده از انرژی پاک فراهم می‌کند.[2]

در کنار شیمی مصنوعی، مهندسان زیستی در حال استفاده از زیست‌شناسی برای انجام فرآیند جداسازی هستند. در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، محققان باکتریوفاژها (ویروس‌های بی‌ضرری که باکتری‌ها را آلوده می‌کنند) را به صورت ژنتیکی مهندسی کرده‌اند تا به عنوان «اسفنج‌های هوشمند» حساس به دما برای عناصر خاکی کمیاب عمل کنند.[1]

سازوکار ویروسی بسیار هوشمندانه است. تیم برکلی پروتئین‌های خاصی را به سطح ویروس اضافه کردند، از جمله یک پپتید متصل‌شونده به لانتانید و یک پپتید الاستین‌مانند حساس به دما. در یک محیط آبی، این ویروس‌های مهندسی شده به شدت به فلزات خاکی کمیاب متصل می‌شوند.[1]

هنگامی که دما تنظیم می‌شود، پپتید الاستین‌مانند باعث می‌شود ویروس‌ها به هم بچسبند – فرآیندی به نام کواسرواسیون (coacervation) – و ته‌نشین شوند، که جداسازی فیزیکی آنها از مایع را آسان می‌کند. سپس، یک تنظیم ساده در pH، ویروس‌ها را مجبور به آزاد کردن فلزات می‌کند و امکان بازیابی آسان بدون مواد شیمیایی قوی را فراهم می‌سازد. پس از آن می‌توان ویروس‌ها را برای چرخه‌های متعدد دوباره استفاده کرد.[1]

سازوکار بیولوژیکی دیگری که در حال جلب توجه است، استفاده از چارچوب‌های فلزی-آلی (MOF) اصلاح شده با ترکیبات آلی فسفر است. تحقیقات منتشر شده در مجله Microporous and Mesoporous Materials نشان داد که این مواد بسیار متخلخل می‌توانند به انتخابی بودن استثنایی – بیش از ۹۰ درصد – برای عناصر خاکی کمیاب خاصی مانند اربیوم در برابر یون‌های فلزات واسطه دست یابند.[4]

این سازوکارها اهمیت دارند زیرا اقتصاد جهانی کاملاً به خواص مغناطیسی و رسانایی این فلزات وابسته است. نئودیمیم و پرازئودیمیم برای آهنرباهای دائمی در موتورهای خودروهای الکتریکی و توربین‌های بادی مورد نیاز هستند. تربیوم و دیسپروزیم نیز برای سیستم‌های دفاعی پیشرفته و نیمه‌رساناها حیاتی‌اند.[5]

مخاطرات ژئوپلیتیکی بسیار بزرگ است. در حال حاضر، چین تقریباً ۶۰ درصد از عناصر خاکی کمیاب جهان را استخراج می‌کند، اما حدود ۹۰ درصد از ظرفیت جداسازی و فرآوری را کنترل می‌نماید. این انحصار تقریباً کامل، به طور فعال از طریق کنترل‌های صادراتی بر فناوری فرآوری و خود فلزات، به عنوان یک سلاح مورد استفاده قرار گرفته است.[5]

اگرچه علم زیربنایی این روش‌های استخراج سبز ثابت شده است، شواهد مبنی بر اینکه آنها می‌توانند بلافاصله سلطه چین را از بین ببرند، ضعیف است. شکاف بین یک نمایش موفق در مقیاس آزمایشگاهی و یک تأسیسات تجاری که هزاران تن سنگ معدن را فرآوری می‌کند، بسیار زیاد است.[5]

مزیت فرآوری چین توسط دهه‌ها زیرساخت بهینه‌سازی شده، یارانه‌های دولتی عظیم و صرفه‌جویی‌های ناشی از مقیاس که قیمت‌ها را کاهش می‌دهند، حمایت می‌شود. استارت‌آپ‌های غربی نه تنها باید ثابت کنند که روش‌های دوستدار محیط زیست آنها به طور مداوم در مقیاس بزرگ کار می‌کنند، بلکه باید در بازاری زنده بمانند که بازیگر غالب می‌تواند قیمت‌های جهانی را به طور مصنوعی پایین بیاورد تا رقبا را از سرمایه محروم سازد.[3][5]

پیشرفت در حال وقوع است. اگر این فرآیندهای شیمیایی و بیولوژیکی نسل بعدی بتوانند از «دره مرگ» عبور کرده و به تجاری‌سازی کامل برسند، نقشه‌ای راه برای تأمین مواد اولیه آینده بدون تکرار اشتباهات زیست‌محیطی گذشته ارائه می‌دهند.[5]