Dengan menggunakan material yang berasal dari tumbuhan, para peneliti Penn State telah mengembangkan cara yang lebih bersih dan berkelanjutan untuk memisahkan dan memulihkan disprosium, logam tanah jarang penting yang digunakan dalam elektronik, mesin, dan teknologi energi bersih. Pendekatan ini dapat membantu mengurangi tekanan pasokan dan dampak lingkungan dari penambangan logam tanah jarang.
Sebuah tim insinyur dari Penn State telah mengubah bahan tanaman biasa menjadi alat berteknologi tinggi yang dapat membantu memecahkan salah satu masalah tersulit dalam manufaktur modern: bagaimana mendapatkan logam tanah jarang yang penting tanpa merusak lingkungan.
Dengan memodifikasi struktur selulosa — bahan penyusun utama dinding sel tumbuhan — para peneliti menciptakan nanomaterial kecil dan "berbulu" yang dapat secara selektif menarik disprosium, unsur tanah jarang yang berat, dari campuran yang juga mengandung logam lain.
Disprosium sangat penting untuk pembuatan semikonduktor, magnet berkinerja tinggi, mesin, generator, dan bahkan komponen yang membantu menjaga kestabilan batang kendali nuklir. Namun, ketersediaannya juga terbatas, dan metode ekstraksi serta pemisahan unsur tanah jarang saat ini membutuhkan banyak energi, secara kimiawi keras, dan seringkali mencemari lingkungan.
Seiring dengan meningkatnya permintaan akan elektronik canggih dan teknologi energi bersih, tekanan tersebut diperkirakan akan semakin intensif.
“Seiring kemajuan teknologi, para produsen akan membutuhkan lebih banyak disprosium — beberapa perkiraan memperkirakan permintaan akan material ini dapat melonjak lebih dari 2,500% dalam 25 tahun ke depan,” kata peneliti utama Amir Sheikhi, profesor madya teknik kimia di Penn State dan pemegang jabatan Dorothy Foehr Huck dan J. Lloyd Huck Early Career Chair di bidang Biomaterial dan Rekayasa Regeneratif, dalam siaran pers. “Memiliki cara yang berkelanjutan dan ramah lingkungan untuk memulihkan material ini akan secara strategis membantu AS tetap kompetitif dengan negara-negara seperti Tiongkok.”
Unsur tanah jarang adalah kelompok yang terdiri dari 17 logam yang sangat penting untuk segala hal, mulai dari ponsel pintar dan turbin angin hingga kendaraan listrik dan sistem militer. Unsur-unsur ini sering disebut "langka" bukan karena jumlahnya sedikit di kerak bumi, tetapi karena jarang ditemukan dalam endapan yang terkonsentrasi dan mudah ditambang. Unsur-unsur ini juga cenderung terdapat bersamaan dan memiliki sifat kimia yang sangat mirip, yang membuat pemisahannya menjadi sangat sulit.
“Memisahkan unsur-unsur tanah jarang satu sama lain sangat sulit, karena struktur kimia logam-logam tersebut sangat mirip,” tambah Sheikhi, yang juga merupakan direktur pendiri Laboratorium Material Bio-Soft. “Kami telah mencari cara yang andal untuk memisahkan unsur-unsur berat seperti disprosium dari unsur-unsur yang lebih ringan seperti neodimium, sambil menghindari efek samping negatif terhadap lingkungan yang berasal dari pendekatan pemisahan saat ini.”
Saat ini, sebagian besar metode pemisahan komersial bergantung pada proses berbasis pelarut yang menggunakan sejumlah besar bahan kimia dan peralatan yang rumit. Sistem ini dapat membutuhkan ruangan yang penuh dengan mesin dan menghasilkan limbah yang signifikan.
Kelompok Sheikhi mengambil jalur yang berbeda, dimulai dengan selulosa, bahan yang melimpah dan terbarukan yang ditemukan di hampir semua tumbuhan. Tim tersebut memodifikasi selulosa pada tingkat molekuler untuk menciptakan kristal nanoselulosa yang panjangnya hanya sekitar 100 nanometer — kira-kira 1,000 kali lebih tipis daripada rambut manusia.
Di setiap ujung kristal ini, mereka merekayasa rantai selulosa padat seperti rambut yang membawa muatan negatif. Hasilnya adalah struktur yang dikenal sebagai nanokristal selulosa berbulu anionik, atau AHCNC.
Para peneliti kemudian menguji bagaimana nanomaterial berbasis tumbuhan ini berperilaku dalam larutan berbasis air yang mengandung dua unsur tanah jarang: neodymium, unsur tanah jarang ringan yang digunakan dalam magnet kuat, dan dysprosium, unsur tanah jarang berat yang sering dipasangkan dengan neodymium dalam aplikasi berkinerja tinggi.
Proses pemisahan bergantung pada adsorpsi, di mana ion dari cairan menempel pada permukaan padatan. Ketika AHCNC ditambahkan ke larutan logam campuran, tim mengamati bahwa "rambut" pada nanokristal berperilaku berbeda dari yang ada pada material berbasis selulosa lain yang telah mereka pelajari.
Dengan adanya disprosium, rantai yang dimodifikasi secara kimia pada ujung nanokristal menyusut dengan cara yang khas, menandakan sensitivitas spesifik terhadap logam berat tersebut. Analisis lebih lanjut menunjukkan bahwa ujung-ujung berbulu ini secara efektif bertindak seperti filter selektif, lebih memilih menangkap ion disprosium daripada neodimium.
“Sepengetahuan saya, ini adalah contoh pertama adsorben berbasis selulosa yang dapat secara selektif menyaring antara unsur tanah jarang berat dan ringan,” tambah Sheikhi. “Selain itu, proses kami sangat sederhana dan efisien. Kami hanya menambahkan nanoselulosa kami ke dalam larutan dan memisahkan logam-logam tersebut.”
Awalnya, tim memperkirakan bahwa jenis gugus kimia yang terikat pada selulosa — yang disebut gugus fungsional yang mengontrol bagaimana molekul bereaksi — akan menjadi faktor utama yang mendorong selektivitas. Tetapi perbandingan langsung dengan platform selulosa lainnya menunjukkan cerita yang berbeda.
“Setelah membandingkan perilaku ini secara langsung dengan platform berbasis selulosa lainnya, kami menyimpulkan bahwa bukan hanya jenis gugus fungsional material yang memfasilitasi selektivitas ini,” tambah Sheikhi. “Tetapi juga struktur material itu sendiri dan posisi gugus fungsionalnya, yang menunjukkan sifat unik dari nanostruktur berbulu ini.”
Wawasan tersebut mengarah pada prinsip desain yang ampuh: dengan menyetel secara tepat baik arsitektur nanoselulosa maupun penempatan gugus kimia utama, para insinyur mungkin dapat menciptakan serangkaian filter berbasis tumbuhan yang disesuaikan dengan berbagai unsur tanah jarang dan mineral penting lainnya.
Pekerjaan, diterbitkan dalam jurnal Materi Fungsional Tingkat Lanjut, melanjutkan penelitian Sheikhi sebelumnya yang menggunakan senyawa berbasis selulosa untuk memulihkan neodymium dari limbah elektronik seperti papan sirkuit komputer daur ulang. Dalam studi baru ini, tim memperluas konsep tersebut ke disprosium, menunjukkan bahwa platform berkelanjutan serupa dapat diadaptasi untuk menargetkan unsur tanah jarang yang berbeda, dan bahkan lebih menantang.
Karena metode baru ini menggunakan larutan berbasis air dan bahan terbarukan yang berasal dari tumbuhan, metode ini berpotensi lebih bersih dan berkelanjutan daripada ekstraksi pelarut konvensional. Prosesnya juga relatif sederhana, yang dapat mempermudah peningkatan skala untuk penggunaan industri.
Dengan pengembangan lebih lanjut, para peneliti membayangkan pendekatan mereka dapat digunakan untuk mendaur ulang disprosium dan unsur tanah jarang lainnya dari limbah manufaktur, elektronik yang sudah habis masa pakainya, dan aliran limbah lainnya. Jenis "penambangan perkotaan" semacam itu dapat mengurangi ketergantungan pada operasi penambangan baru dan membantu menstabilkan pasokan material penting.
Selanjutnya, tim berencana untuk menguji apakah platform nanoselulosa mereka dapat disesuaikan untuk mengisolasi unsur tanah jarang tambahan dan mineral penting strategis lainnya. Mereka juga bertujuan untuk menyempurnakan desain dan kinerja material dengan tujuan untuk meningkatkan skala teknologi agar dapat digunakan di pabrik dan laboratorium di seluruh Amerika Serikat.
Jika berhasil, nanomaterial berbasis tumbuhan yang dapat memisahkan unsur tanah jarang secara bersih dapat menawarkan solusi yang menguntungkan semua pihak: mendukung teknologi yang mendorong kehidupan modern, sekaligus mengurangi biaya lingkungan dari material yang memungkinkan teknologi tersebut terwujud.
Sumber: Pennsylvania State University