稀土元素，如钕和镝，是几乎所有现代技术的关键组成部分，从智能手机到硬盘驱动器，但众所周知，它们很难与地壳分离，也很难与其他元素分离。
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宾夕法尼亚州立大学的科学家发现了一种新的机制，细菌可以通过这种机制在不同的稀土元素之间进行选择，利用细菌蛋白质与自身另一个单元结合的能力，或者当它与某些稀土元素结合时“二聚化”，但更喜欢当与其他物质结合时，保持单个单位或“单体”。
通过弄清楚这种分子握手在原子水平上的工作原理，研究人员找到了一种在正常室温条件下快速、高效地将这些相似金属彼此分离的方法。研究人员表示，这一战略可能会为整个科技行业带来更高效、更环保的采矿和回收实践。
“生物学设法将稀土与所有其他金属区分开来——现在，我们甚至可以看到它如何区分它认为有用的稀土和它认为没有用的稀土，”副教授约瑟夫·科特鲁沃 (Joseph Cotruvo Jr.) 说。宾夕法尼亚州立大学化学系和今天(5 月 31 日)发表在《自然》杂志上的一篇关于这一发现的论文的主要作者 。“我们正在展示如何将这些方法用于稀土回收和分离。”
Cotruvo 解释说，包括镧系金属在内的稀土元素实际上相对丰富，但它们是矿物学家所说的“分散”，这意味着它们主要以低浓度散布在整个星球上。
“如果你能从我们已有的设备中收获稀土，那么我们可能一开始就不会那么依赖于开采它，”Cotruvo 说。然而，他补充说，无论来源如何，将一种稀土与另一种稀土分离以获得纯净物质的挑战仍然存在。
“无论您是从岩石中还是从设备中开采金属，您仍然需要进行分离。从理论上讲，我们的方法适用于稀土的任何收获方式，”他说。
都一样——而且完全不同
简单来说，稀土是元素周期表中的 15 种元素——镧系元素，原子序数为 57 到 71——以及另外两种具有相似特性的元素，通常与它们归为一类。这些金属的化学行为相似，大小相似，因此，它们经常一起出现在地壳中。然而，每一个在技术上都有不同的应用。
Cotruvo 解释说，传统的稀土分离做法需要使用大量有毒化学品，如煤油和膦酸盐，类似于杀虫剂、除草剂和阻燃剂中常用的化学品。分离过程需要数十甚至数百个步骤，使用这些剧毒化学品，以获得高纯度的单个稀土氧化物。
Cotruvo 说：“将它们从岩石中拉出来，这是问题的一部分，但存在许多解决方案。” “但是一旦它们出来，你就会遇到第二个问题，因为你需要将多种稀土元素相互分离。这是最大和最有趣的挑战，区分各种稀土，因为它们非常相似。我们采用了一种天然蛋白质，我们称之为 lanmodulin 或 LanM，并对其进行了改造以做到这一点。”
向自然学习
Cotruvo 和他的实验室转向大自然寻找传统溶剂分离过程的替代方法，因为生物学已经收集和利用稀土的力量几千年了，特别是在一类经常被发现的称为“甲基营养菌”的细菌中在植物叶子、土壤和水中，并在碳如何在环境中移动方面发挥重要作用。
六年前，该实验室 从其中一种细菌中分离出 lanmodulin ，并表明它在结合镧系元素的能力方面是无与伦比的——比钙等普通金属强 1 亿多倍。通过随后的工作，他们表明它能够从混合物中的数十种其他金属中提纯稀土，这些混合物对于传统的稀土提取方法而言过于复杂。然而，这种蛋白质不太擅长区分各种稀土元素。
Cotruvo 解释说，对于《自然》杂志详述的新研究，该团队确定了数百种其他天然蛋白质，这些蛋白质看起来与第一种 lanmodulin 大致相似，但归巢于一种足够不同的蛋白质——70% 的不同——他们怀疑它具有一些独特的特性。这种蛋白质天然存在于从英国橡树芽中分离出来的细菌 ( Hansschlegelia quercus ) 中。
研究人员发现，来自这种细菌的 lanmodulin 表现出很强的区分稀土元素的能力。他们的研究表明，这种分化来自蛋白质二聚化和进行某种握手的能力。当蛋白质与一种较轻的镧系元素(如钕)结合时，握手(二聚体)就会很强。相比之下，当蛋白质与较重的镧系元素(如镝)结合时，握手会弱得多，因此蛋白质更倾向于单体形式。
“这令人惊讶，因为这些金属的尺寸非常相似，”Cotruvo 说。“这种蛋白质能够在我们大多数人无法想象的尺度上进行区分——几万亿分之一米，这种差异小于原子直径的十分之一。”
微调稀土分离
为了以如此小的规模可视化该过程，研究人员与宾夕法尼亚州立大学化学、生物化学和分子生物学教授 Amie Boal 合作，她是该论文的合著者。Boal 的实验室专门研究一种称为 X 射线晶体学的技术，该技术可以进行高分辨率分子成像。
研究人员确定，该蛋白质的二聚化能力取决于它所结合的镧系元素，归结为一个氨基酸——占整个蛋白质的 1%——占据了与镧不同的位置(镧与镧一样，是一种轻镧系元素) 与镝相比。
因为这种氨基酸是与其他单体界面处相互连接的氨基酸网络的一部分，所以这种转变改变了两个蛋白质单元的相互作用方式。当一个在这个网络中起关键作用的氨基酸被移除时，蛋白质对稀土特性和大小的敏感度就会大大降低。这些发现揭示了微调稀土分离的一种新的自然原理，该原理基于稀土结合位点到二聚体界面的微小差异的传播。
利用这些知识，他们在劳伦斯利弗莫尔国家实验室的合作者表明，这种蛋白质可以被拴在柱子中的小珠子上，并且它可以在室温下一步分离永磁体、钕和镝的最重要成分并且不含任何有机溶剂。
Cotruvo 说：“虽然我们绝不是第一个认识到金属敏感二聚化可能是分离非常相似金属的一种方式的科学家，主要是用合成分子，但这是第一次在自然界中观察到这种现象与镧系元素。这是具有应用成果的基础科学。我们正在揭示大自然在做什么，它正在教会我们作为化学家我们可以做得更好。”
Cotruvo 认为，在分子界面结合稀土元素的概念，即二聚作用取决于金属离子的确切大小，可以成为实现具有挑战性的分离的有效方法。
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