作者:埃里卡·克
宾夕法尼亚大学布罗克梅尔 约瑟夫·苏博蒂尼克(右)领导的一项新研究描述了一个理论框架，该框架可以让实验学家通过使用分子的自旋来更好地控制化学反应
利用这一框架，未来通过金属可持续分离中心(CSSM)与埃里克·舍尔特(最左边)和杰西卡·安娜进行的实验可以帮助研究人员开发更节能的方法来净化和回收稀有材料，如稀土金属(大流行前的图像)
学分:宾夕法尼亚大学 塑造现代生活的设备背后是一系列天然和人造材料
智能手机和电脑的一个组成部分是稀土金属，这是一组由17种元素组成的元素，因为它们不存在于浓缩沉积物中，所以需要高能耗和有毒的方法来提取
虽然从废旧设备中回收稀土金属是缓解供应链紧张和减少环境破坏的一种方法，但有效分离和再利用这些金属所需的基础化学仍然是一项挑战
现在，新的研究提供了一个理论框架，可以改变化学物质如何分离的模式
研究生吴雁泽和约瑟夫·苏博蒂尼克教授在《自然通讯》中描述了如何利用分子的自旋来控制化学反应
基于这一概念，未来通过金属可持续分离中心(CSSM)进行的实验可以帮助研究人员开发更节能的方法来净化和回收稀有材料，如稀土金属
CSSM成立于2019年，由宾夕法尼亚化学家团队领导，其目标是开发化学分离方法，使从消费品中回收金属的过程更具成本效益
CSSM汇集了理论和实验化学小组，目标是进行基础研究，为稀土金属供应链危机提供创新的、科学驱动的解决方案
Subotnik是一位理论化学家，之前一直致力于光化学相关的问题，并对理解光如何影响分子很感兴趣
在试图更好地理解光化学反应动力学的过程中，他和吴开始假设自旋在光诱导的分子能量状态变化中的作用
在花了一年时间深入研究这一领域后，苏博蒂尼克通过与CSSM导演埃里克·舍尔特的对话意识到，这项理论工作也可能对金属分离产生影响
“稀土金属难以分离的原因之一是，许多金属彼此非常相似
但是金属的一个特性是它有一定的自旋特性，”苏博蒂尼克说
“一个想法是，如果你想分离金属，你可以利用自旋特性，这可能会非常不同
" 为了帮助验证他们的发现，苏博蒂尼克将与舍尔特和安娜合作进行后续实验，并将这些数据与新的理论模型相结合(大流行前的图像)
学分:宾夕法尼亚大学 在这个新的理论框架中，研究人员表明，在化学反应过程中，自旋有助于分子通过不稳定的几何形状
苏博蒂尼克用这个类比来寻找一个秘密的山口，以及控制旋转如何使某人能够旅行到一个特定的地方，在这个例子中是化学反应的一个特定产物，在另一边
“我们表明，一点点旋转可以迫使你以极大的保真度进行一次传递，而仅仅一点点旋转就可以指导你将要生产的产品，”他说
这个想法的意义在于，分子的自旋可以用非常少量的能量来改变，而自旋的这一微小变化也对化学反应的进行有着巨大的影响
虽然利用自旋为器件提供动力是自旋电子学等领域的雄心，但它在基础化学中的意义尚未得到广泛探索
苏博蒂尼克说:“问题是，你能利用这些非常小的能量让非直觉化学发生吗？”
“如果我理解自旋并能操纵它，我能促进一种反应或另一种反应，使一种金属而不是另一种金属分离吗？” 但是让这一发现令人兴奋的同时也让接下来的步骤充满挑战:“它很强大，但很难诊断，”苏博蒂尼克说
因为分子的自旋随分子本身旋转，并在实验中平均化，所以很难在实验室测量中分离出自旋的影响
为了帮助验证他们的发现，苏博蒂尼克将与舍尔特和杰西卡·安娜合作进行后续实验，并将这些数据与新的理论模型相结合
“拜登政府和通用汽车公司最近宣布大规模转向电动汽车，这将产生对开采锂、钴、稀土和其他关键金属的巨大需求，”舍尔特说，“乔和延泽的工作对关键金属的全新和选择性分离具有重要意义，这可能减少与开采相关的能源消耗、浪费和温室气体生产，或者实现关键金属的回收利用。”
" 除了对金属分离的影响之外，这个框架还为一个新的范例铺平了道路，这个范例是关于电、自旋和其他化学性质如何以以前没有探索过的方式结合在一起
苏博蒂尼克说:“以前没有人真正把自旋和化学结合起来，所以我不知道会发生什么。”
“我们的梦想是让一些流程变得更加高效
这是最好的基础科学
"
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