在石油精煉、製藥、食品加工、有用金屬的回收利用等領域，溶劑萃取法長期以來一直被用作從溶液中提取特定成分的方法。這是一種使用兩種互不相溶的液體（如水和油）來確定物質更易溶於哪一種的簡單的分離方法。
圖1 溶劑萃取法的常規方法及本研究的新視角
闡明超分子集合體在金屬離子分離中的作用是本研究的新角度（供圖：JAEA）
當將僅溶於油的萃取劑添加到油水混合液中時，目標金屬離子會透過化學鍵合變成金屬離子錯合物並僅保留在油中。溶劑萃取法在使用中，萃取劑和萃取目標之間的關係非常重要，而事實上，多種金屬離子和萃取劑分子的結合形成了奈米級超分子集合體，這種集合體也受油相成分的控制。
日本核能研究開發機構物質科學研究中心的Micheau Cyril研究員、上田祐生研究員、元川龍平研究主幹、綜合科學研究機構的阿久津和宏副主任技師、高能加速器研究機構的山田悟史副教授、山田雅子助教等與法國核能和替代能源委員會、法國國家科學研究中心的國際聯合研究中明確了上述現象。相關成果已刊登在《Journal of Molecular Liquids》上。元川研究主幹表示：「研究發現了與以往完全不同的系統，將有望在製藥等各個領域實施更高效的分離和提取」。
在進行放射性廢料減容化的研究程序中，研究團隊爲了分離用於觸媒和永久磁體的鈀和釹2種金屬，使用了分離稀土和鉑金屬的丙二酰胺作爲萃取劑，進行溶劑萃取法後發現了一個奇怪的現象：當使用甲苯作爲油相時，只能萃取出鈀；而使用庚烷時，則能同時萃取出鈀和釹。此外，當使用甲苯時，鈀的萃取速度變得非常慢。換句話說，透過改變油相所使用的溶劑類型，可以改變可萃取的金屬物質和萃取速度。
爲了搞清楚造成這種情況的終極因數，研究團隊進行了可以分析奈米級結構的X射線小角散射測量。結果表明，丙二酰胺在甲苯中形成了由2～3個分子匯聚而成的小型超分子集合體，只有鈀離子能進入其内袋，而釹離子則難以進入。這種超分子集合體的尺寸識別效應影響了鈀和釹的選擇性。另一方面，在庚烷中會形成約100個分子的丙二酰胺聚集而成的大集合體。在這種情況下，則無法區分鈀和釹。爲了進一步研究界面的微觀狀態，研究團隊使用安裝在J-PARC的中介子反射儀（軟界面分析儀）進行了分析。結果顯示，當使用庚烷作爲油相時，丙二酰胺在界面附近形成了緻密層，而當使用甲苯作爲油相時，丙二酰胺在界面處並未密集，而是在離界面數奈米的區域形成了一個延伸的稀薄層。該稀薄層被認爲減量了鈀和丙二酰胺在界面處碰撞的可能性，從而減慢了萃取速度。
本此研究明確了溶劑萃取程序中超分子集合體的結構，並首次揭示了該結構對金屬離子分離的影響。此外，這一發現爲傳統溶劑萃取方法增加了超分子集合體視角，提出了新型金屬離子分離方法，以及設計出新萃取劑的可能性。
本文基於日本原子力研究開發機構（JAEA）的新聞稿内容撰寫而成。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Journal of Molecular Liquids
論文：Organization of ｍalonamides from the interface to the organic bulk phase
URL：doi.org/10.1016/j.molliq.2024.124372
