在石油精煉、制藥、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）來確定物質更易溶于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）

當將僅溶于油的萃取劑添加到油水混合液中時，目標金屬離子會通過化學鍵合變成金屬離子絡合物并僅保留在油中。溶劑萃取法在使用中，萃取劑和萃取目標之間的關系非常重要，而事實上，多種金屬離子和萃取劑分子的結合形成了納米級超分子集合體，這種集合體也受油相成分的控制。

日本原子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、元川龍平研究主干、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原子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。元川研究主干表示：“研究發現了與以往完全不同的系統，將有望在制藥等各個領域實現更高效的分離和提取”。

在進行放射性廢物減容化的研究過程中，研究團隊為了分離用于催化劑和永磁體的鈀和釹2種金屬，使用了分離稀土和鉑族金屬的丙二酰胺作為萃取劑，進行溶劑萃取法后發現了一個奇怪的現象：當使用甲苯作為油相時，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，通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。

為了搞清楚造成這種情況的原因，研究團隊進行了可以分析納米級結構的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內袋，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。為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，當使用庚烷作為油相時，丙二酰胺在界面附近形成了致密層，而當使用甲苯作為油相時，丙二酰胺在界面處并未密集，而是在離界面數納米的區域形成了一個延伸的稀薄層。該稀薄層被認為減少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過程中超分子集合體的結構，并首次揭示了該結構對金屬離子分離的影響。此外，這一發現為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。

本文基于日本原子力研究開發機構（JAEA）的新聞稿內容撰寫而成。

原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部

【論文信息】
雜志：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