Pensándolo bien...

La historia de la separación de elementos químicos es una parte crucial del desarrollo de la Química y la Ciencia en general. Las primeras civilizaciones, como los egipcios y los griegos, ya practicaban técnicas rudimentarias de separación de elementos y compuestos químicos. Utilizaban procesos como la destilación y la sublimación para purificar sustancias. Entre los siglos III a. d C. y XVIII, durante la época de la alquimia, se realizaron muchos experimentos con la intención de transformar materiales básicos en oro y descubrir el elixir de la vida. Aunque los alquimistas no lograron estos objetivos, desarrollaron numerosas técnicas de laboratorio y descubrieron varios elementos y compuestos. En el siglo XVII, Boyle, considerado uno de los padres de la Química moderna, desafiaba las ideas alquímicas tradicionales. En su obra "The Sceptical Chymist" (1661), estableció que la materia está compuesta por átomos y moléculas, y promovió el uso del método científico en la química. En el XVIII, Lavoisier, que es conocido por su descubrimiento del papel del oxígeno en la combustión y por la ley de la conservación de la masa, en su obra "Traité Élémentaire de Chimie" (1789), clasificó los elementos conocidos en su época y es considerado el "padre de la química moderna". El siglo XIX vio una explosión en el descubrimiento de nuevos elementos. Johann Wolfgang Döbereiner desarrolló las tríadas de elementos (1829), una de las primeras formas de agrupar elementos con propiedades similares. Mendeléyev organizó en 1869 los elementos conocidos en una tabla periódica en función de sus propiedades químicas y pesos atómicos. Predijo la existencia y propiedades de elementos aún no descubiertos, lo que posteriormente fue confirmado. En el siglo XIX, Humphry Davy y otros científicos utilizaron la electrólisis para separar elementos como el sodio y el potasio de sus compuestos. Este método implicaba el uso de corriente eléctrica para descomponer sustancias químicas. A lo largo de los siglos XIX y XX, se desarrollaron numerosos métodos de separación, como la destilación fraccionada, la cristalización, la cromatografía y la extracción con disolventes. Estos métodos permiten separar y purificar elementos y compuestos químicos con gran precisión. En los siglos XX y XXI, la espectrometría de masas, la resonancia magnética nuclear (RMN), la cromatografía de gases y líquidos, entre otros, han revolucionado la capacidad de identificar y separar elementos y compuestos químicos. En el siglo XX, se descubrieron numerosos elementos sintéticos, ampliando la tabla periódica. Estos elementos se producen en laboratorios a través de reacciones nucleares y generalmente tienen vidas medias muy cortas. En el siglo XXI, la Química verde se ha centrado en desarrollar métodos de separación y purificación que sean ambientalmente sostenibles y reduzcan el uso de sustancias tóxicas.

Podemos concluir que la separación de elementos químicos, hasta aquí, ha pasado de ser un arte rudimentario en la antigüedad a una ciencia precisa y sofisticada en la era moderna. Los avances en esta área han sido fundamentales para el desarrollo de la Química, la medicina, la industria y la tecnología, y continúan siendo un campo de investigación vital en la actualidad.

La electrónica moderna depende en gran medida de ciertos metales raros, como el neodimio y el disprosio, debido a sus propiedades únicas. Los imanes de neodimio son los imanes permanentes más fuertes disponibles comercialmente. Se utilizan en una amplia gama de dispositivos electrónicos, como los cabezales de lectura/escritura de los discos duros para mejorar la precisión y velocidad de los datos; los aerogeneradores y muchos pequeños motores eléctricos dependen de los imanes de neodimio debido a su alta densidad de energía; en altavoces y auriculares se usan imanes de neodimio para producir sonidos claros y potentes; el neodimio se utiliza en algunos tipos de láseres, como los láseres Nd:YAG (neodimio: itrio-aluminio-granate), que se emplean en una variedad de aplicaciones industriales y médicas. Por otro lado, el disprosio se añade a los imanes de neodimio-hierro-boro (NdFeB) para mejorar su rendimiento a altas temperaturas, crucial para aplicaciones donde los imanes están sujetos a temperaturas elevadas, como en motores de vehículos eléctricos y generadores de energía eólica; el disprosio se utiliza en algunas lámparas de halogenuros metálicos y en componentes de pantallas LCD para mejorar el brillo y la eficiencia energética.  Además de éstos, otros metales raros se emplean en electrónica; como el Terbio, que mejora las propiedades magnéticas de los imanes; el Lantano, se usa en baterías de níquel-hidruro metálico (NiMH) y en algunos tipos de lentes de cámara; el europio, utilizado en pantallas fluorescentes y LED para la emisión de luz roja y azul.

Imagen creada con ayuda de ChatGPT con DALL-E

El uso de estos metales en la electrónica es crucial debido a sus propiedades magnéticas y ópticas únicas. Sin embargo, hay varios desafíos asociados con su uso, porque la mayoría de los metales raros se extraen en unos pocos países, lo que puede llevar a problemas de suministro y dependencia geopolítica. La minería y el procesamiento de metales raros pueden tener un impacto ambiental significativo, incluyendo la contaminación del suelo y el agua. Además, el reciclaje de dispositivos electrónicos para recuperar metales raros es complejo y costoso, pero es un área de creciente interés para mejorar la sostenibilidad. A medida que la tecnología avanza, la demanda de estos y otros metales raros probablemente seguirá aumentando, lo que subraya la importancia de gestionar su suministro y desarrollo sostenible.

Lo cierto es que las tierras raras son muy importantes en la tecnología moderna, pero hay dificultades para extraerlas y reciclarlas. La separación es considerada un auténtico arte. Recientemente se ha publicado en Nature por Joseph Cotruvo Jr., de la Universidad Penn State, EE. UU., un procedimiento singular que incorpora a la biología para diferenciar las tierras raras e incluso entre ellas.  Emplea una proteína que simplifica las decenas o cientos de reacciones necesarias para separar las tierras raras, que emplean sustancias, bastante tóxicas, como queroseno o fosfonatos. Su empleo, aunque efectivo, presenta significativos desafíos ambientales y de salud. La búsqueda de métodos alternativos y sostenibles, junto con una mayor regulación y control, es esencial para reducir el impacto negativo asociado con estos procesos.

La estrella es la proteína denominada lanmodulina o LanM, que la han empleado para discriminar entre las tierras raras que son muy parecidas. La lanmodulina (LanM) es una proteína recientemente descubierta que tiene una alta afinidad y selectividad para unirse a elementos de tierras raras, lo que la convierte en una herramienta potencialmente revolucionaria para la separación y recuperación de estos elementos. Fue descubierta en una bacteria llamada *Methylobacterium extorquens*, que utiliza tierras raras para su metabolismo. La proteína muestra una afinidad notablemente alta y una selectividad para las tierras raras, en comparación con otros metales.Tiene sitios de unión específicos que coordinan los iones metálicos con alta eficiencia. Tiene capacidad de unirse selectivamente a iones de tierras raras en presencia de otros metales. Esta selectividad se debe a la estructura única de los sitios de unión de la proteína que prefieren los iones de tierras raras. Los iones de tierras raras se unen a LanM a través de un proceso llamado complejación, donde los iones metálicos se coordinan con grupos funcionales en la proteína, estabilizando así el complejo metal-proteína. En presencia de LanM, los iones de tierras raras desplazan a otros iones metálicos menos preferidos (como el calcio y el magnesio), lo que permite una separación efectiva de las tierras raras.

El proceso de separación de las tierras raras se articula a través de los siguientes pasos: la solución que contiene los iones de tierras raras se prepara y se ajusta a las condiciones adecuadas para la unión (pH, concentración iónica, etc.). La proteína LanM se añade a la solución, donde se une selectivamente a los iones de tierras raras. El complejo LanM-tierra rara puede separarse de la disolución mediante técnicas de precipitación, centrifugación, o utilizando columnas de afinidad. Los iones de tierras raras pueden luego recuperarse de la proteína mediante elusión, donde se utilizan condiciones que desfavorecen la unión de los metales a LanM, liberando así los iones de tierras raras. Finalmente, la proteína LanM puede ser regenerada y reutilizada en múltiples ciclos de separación, lo que aumenta la eficiencia y reduce costos.

Las ventajas que aporta el procedimiento se señalan como de alcance.  La LanM tiene una afinidad y selectividad excepcionalmente altas para tierras raras, lo que permite una separación más limpia y eficiente en comparación con métodos químicos tradicionales. El uso de LanM puede disminuir la necesidad de utilizar disolventes orgánicos y agentes químicos tóxicos, haciéndolo un método más ambientalmente amigable. La LanM puede ser regenerada y reutilizada, mejorando la sostenibilidad del proceso y reduciendo los costos operativos.

La lanmodulina representa un avance prometedor en la separación de tierras raras, ofreciendo un método altamente selectivo y menos perjudicial para el medio ambiente. A medida que se avanza en la investigación y se superan los desafíos técnicos, LanM tiene el potencial de transformar significativamente la industria de recuperación de tierras raras. Noticias prometedoras que evidencian que la última palabra no está nunca dicha en Ciencia.

Sopa de letras: PROTEÍNAS MINERAS

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