کمک باکتری‌ها به معدن‌کاری

به گزارش می‌متالز، این پژوهشگران توضیح داده‌اند خاک‌های کمیاب ترجیح می‌دهند زمانی‌که به دیگران متصل می‌شوند، یک واحد یا «مونومر» باقی بمانند و ویژگی پروتئین به‌وقوع این رخداد کمک می‌کند. پژوهشگران این دانشگاه با کشف نحوه عملکرد شیمیایی خاک‌های کمیاب و اتصال مولکولی و اتمی آنها، راهی برای جدا‌کردن این فلزات مشابه از یکدیگر با سرعت، کارآمدی و در شرایط دمای معمولی اتاق پیدا کردند.

به‌نظر آنها، این استراتژی می‌تواند منجر به روش‌های استخراج معدنی و بازیافت کارآمدتر، سبزتر برای کل بخش فناوری شود. جوزف کوتروف جونیور، مدیر این تیم پژوهشی تاکید کرده این آزمایش با موفقیت ثابت کرد پروتئین‌ها برای جداسازی خاک‌های کمیاب اهمیت بالایی دارند. کوتروف توضیح داد که عناصر خاکی کمیاب که شامل فلزات لانتانید نیز هست، در کره‌زمین به مقادیر نسبتا فراوان وجود داشته، اما پراکنده هستند.

در بخش معدن و حوزه فرآوری مساله این است که صرف‌نظر از حجم منبع، چالش جداسازی یک ماده‌کمیاب از خاک برای به‌دست آوردن یک ماده‌خالص چطور انجام گیرد. چه در حال استخراج فلزات از سنگ یا از دستگاه‌ها باشید، بازهم باید جداسازی را انجام دهید. روش این پژوهشگران دست کم در تئوری، بر هر روشی که از طریق آن خاک‌های کمیاب برداشت می‌شود، برتری داشته و قابل‌اجرا نیز هست.

روش‌های متعارف جداسازی خاک‌های کمیاب مستلزم استفاده از مقادیر زیادی از مواد شیمیایی سمی مانند نفت سفید و فسفونات‌ها است، مشابه مواد شیمیایی که معمولا در حشره کش ها، علف کش‌ها و بازدارنده‌های شعله استفاده می‌شوند و این موضوع به‌معنای اثرات منفی زیست‌محیطی معدن‌کاری و تخلیص خاک‌های کمیاب است، ضمنا فرآیند جداسازی به ده‌ها یا حتی صد‌ها مرحله با استفاده از این مواد شیمیایی بسیار سمی برای دستیابی به اکسید‌های خاکی کمیاب با خلوص بالا نیاز دارد که رویکرد جدید می‌تواند با حذف همه این مراحل، رویه پاک و بدون آلایندگی را به‌ثمر برساند.

کوتروف در این‌باره گفته است: «معدن‌کاران برای بیرون آوردن خاک‌های کمیاب از صخره‌ها دچار مشکل هستند، اما راه‌حل‌های زیادی برای این جداسازی وجود دارد، پس از این استخراج نیز مشکل دوم جدا‌کردن چندین دسته خاک کمیاب از یکدیگر است. این بزرگ‌ترین و جالب‌ترین چالش است، تمایز قائل‌شدن بین تک‌تک خاک‌های کمیاب موضوع مهمی است؛ چراکه آن‌ها بسیار شبیه به‌هم هستند. ما یک پروتئین طبیعی دریافت کرده ایم که آن را لانمودولین یا LanM می‌نامیم و آن را برای انجام این کار مهندسی کرده ایم. کاری شگفت انگیز که مدل استخراج و فرآوری را در معادن طبیعی و غیرمضر می‌سازد. در واقع درحالی‌که معادن به‌شدت رویکردی فنی و مضر در جداسازی خاک‌ها دارند، کوتروف و آزمایشگاهش به طبیعت روی‌آورده اند تا جایگزینی برای فرآیند جداسازی متداول مبتنی بر حلال بیابند. آن‌ها معتقدند حیات در زمین‌هزاران سال‌است که در حال برداشت و بهره‌برداری از قدرت خاک‌های کمیاب بوده و هست که نمونه اعلای آن در کار دسته‌ای از باکتری‌ها به‌نام «متیلوتروف» که در همه‌جای جهان یافت می‌شوند، قابل‌مشاهده است. این باکتری‌ها اغلب روی برگ‌های گیاهان یا در خاک و آب وجود داشته و نقش مهمی در نحوه حرکت کربن در محیط ایفا می‌کنند.

تلاش کوتروف و تیم پژوهشگران دانشگاه پنسیلوانیا از ۶ سال‌پیش شروع شد. زمانی‌که آن‌ها در آزمایشگاه، لانمودولین را توسط یکی از این باکتری‌ها جدا کرده و نشان‌دادند که توانایی این موجودات در اتصال لانتانید‌ها به فلزات معمولی مانند کلسیم بی‌همتا است و دست کم بیش از ۱۰۰‌میلیون بار بهتر است.

از زاویه دیگر نیز کار این تیم جالب است. آن‌ها نشان‌دادند که می‌توان خاک‌های کمیاب را به‌عنوان یک گروه از ده‌ها فلز دیگر در مخلوط‌هایی که برای روش‌های سنتی استخراج خاک‌های کمیاب بسیار پیچیده بودند، خالص کرد و جدا ساخت. براین مبنا پروتئین در تمایز بین خاک‌های کمیاب اثر بارزی دارد.

در این‌باره کوتروف توضیح داد که برای مطالعه جدید، تیم وی صد‌ها پروتئین طبیعی دیگر را شناسایی کرده که تقریبا عموم آن‌ها شبیه به اولین لانمودولین بودند، اما در یکی از آن‌ها به اندازه کافی متفاوت بود و تا ۷۰درصد متفاوت بود که پژوهشگران را مشکوک کرد که این موجود دارای برخی خواص متمایز است. این پروتئین به‌طور طبیعی در یک باکتری (Hansschlegelia quercus) جدا شده از جوانه‌های بلوط انگلیسی یافت می‌شود.

پژوهشگران سپس دریافتند که لانمودولین به‌عنوان یک باکتری دارای قابلیت‌های بسیاری برای تمایز بین خاک‌های کمیاب است. مطالعات آن‌ها نشان داد که این تمایز ناشی از توانایی پروتئین آن‌ها برای دیمر‌شدن و انجام نوعی اتصال است. هنگامی که پروتئین به یکی از لانتانید‌های سبک‌تر مانند نئودیمیم متصل می‌شود، امکان اتصال (دیمر) بالا است. در مقابل، وقتی پروتئین به یک لانتانید سنگین‌تر مانند دیسپروزیم متصل می‌شود، دست‌دادن بسیار ضعیف‌تر می‌شود. چیزی که تعجب تیم پژوهشی را به‌دنبال داشت. در این‌باره کوتروف می‌گوید: «این وضعیت کاملا تعجب آور بود، زیرا فلزاتی که محک باکتری‌ها و پروتئین‌های آن‌ها بودند از نظر اندازه بسیار شبیه به‌هم هستند. آزمایش ما، اما مشخص کرد پروتئین‌ها توانایی تمایز در مقیاسی باورنکردنی را دارند. مقیاسی که برای بسیاری از ما غیرقابل‌تصور بوده و به چند‌تریلیونم متر که به‌معنای ابعادی کمتر از یک دهم قطر یک اتم است، می‌رسد. برای تجسم این فرآیند در چنین مقیاس‌کوچکی، محققان از کریستالوگرافی اشعه‌ایکس استفاده کردند که امکان تصویربرداری مولکولی با وضوح بالا را فراهم می‌کند.

به عقیده این تیم پژوهشی، این یافته‌ها یک اصل طبیعی و جدید را برای تنظیم دقت جداسازی خاک‌های کمیاب، نشان داد. جالب اینکه کوتروف گفته است: «این نوک کوه یخ است. با بهینه سازی بیشتر این پدیده، سخت‌ترین انواع جداسازی خاک‌های کمیاب مخصوصا در انواعی که عناصر دقیقا در کنار یکدیگر در جدول تناوبی قرار دارند و عدد اتمی‌های مشابه دارند، ممکن است در دسترس باشد.»

نتیجه گیری

خاک‌های کمیاب درنظر بسیاری از افراد موادی ناشناخته هستند حال آنکه این مواد در عموم دستگاه‌های هوشمند و مدرنی که در اطراف ما هستند، به کرات وجود دارند. برای نمونه در تلفن‌های‌همراه، در تلویزیون ها، دستگاه‌های راهبری ماهواره ای، هارددیسک ها، خودرو‌های هیبریدی و برقی یا حتی در باتری‌های مورد‌استفاده در ادوات، به‌وفور منابع خاکی کمیاب به‌کار رفته‌است. استفاده از این مواد کمیاب در این دامنه گسترده این پرسش را مطرح می‌کند که چرا به این مواد شیمیایی لقب خاک کمیاب داده‌اند؟ پاسخ این پرسش در نحوه فرآوری و جداسازی این مواد از دیگر منابع معدنی نهفته است، جایی‌که باید صدها‌تن مواد آلی و فرآیند‌های شیمیایی طی شود تا مقادیر بسیار اندکی از موادی نظیر نئودیمیوم از کانی‌های معدنی جدا شوند. فرآیندی که اخیرا از سوی دانشمندان آمریکایی کشف‌شده البته مسیر دسترسی به این مواد کمیاب را تسهیل و در مصرف بیشتر آن‌ها دست انسان را باز می‌کند. در روش جدید به‌جای اینکه صد‌ها ساعت زمان / نفر صرف فرآوری یک ماده‌کمیاب شود، کار جداسازی به‌دستگاه‌های طبیعی درون باکتری‌ها واگذار می‌شود.

پروتئینی که درون برخی از این باکتری‌ها وجود دارد کمک می‌کند تا با دقتی مثال زدنی هر ماده‌را از دیگری تشخیص داده و آن‌ها را از هم جدا کند. روشی که‌میلیون‌ها سال‌در طبیعت وجود داشته، اما بشر به آن‌ها کم توجه بوده‌است. در این روش بهینگی به حد قابل‌توجهی خواهد رسید‌که نتیجه آن کاهش هزینه تولید این خاک‌ها و کاهش قیمت تمام‌شده محصولات است. جالب‌ترین نکته درباره این باکتری و پروتئین آن‌ها این است که در درخت بلوط به‌وفور یافت شده، بنابراین به‌راحتی قابل‌دسترس است. براین مبنا اگر این روش در معادن جهان کاربردی و عملیاتی شود احتمالا به‌زودی شاهد افزایش تولید خاک‌های کمیاب در جهان خواهیم بود.

منبع: دنیای اقتصاد