自门捷列夫周期表提出以来，镧系元素分离一直是化学与矿业领域最棘手的难题之一。15种镧系元素离子半径差异仅~0.01 Å，约为一根头发丝的七百万分之一。中国科学院广州地球化学研究所团队在《自然》发表的最新成果，首次实现镧系元素的原子级精准筛分，选择性达100%。这项被评价为“颠覆性”的技术突破为高纯稀土制造、核废料处理提供了全新的解决方案。

百年“分离之困”

镧系元素被称为“工业味精”，广泛应用于智能手机、风力发电机的永磁体、激光制导、医疗成像等多个尖端领域。15个成员各具特异的光、电、磁和催化等物理与化学性能，是高科技产业不可或缺的核心材料。

然而，一个多世纪以来，镧系元素的高纯提取始终受困于“镧系收缩”——相邻元素离子半径差值平均仅约0.01 Å，化学性质极其相似，难以精确分离。

传统溶剂萃取技术依赖多级串级萃取，能耗高、废液排放量大，每分离1吨稀土氧化物通常消耗数吨化学品并产生大量放射性废渣。溶剂萃取的原理是将镧系元素溶解在酸性溶液中，依靠萃取剂分子的“舞蹈”选择性进入有机相。这一方法自1960年代工业化以来虽有重大改进，但始终停留在“化学亲和力差异”层面，无法做到真正的物理尺寸筛分，更无法实现原子级精度。

随着新能源、电子信息等领域对关键金属需求的爆发式增长，传统“多级串级、逐级纯化”的分离模式已难以满足。行业迫切需要一种能够在分子乃至原子尺度上实现镧系元素精准分离的新技术。

膜技术突破，选择性100%

从“化学萃取”到“原子筛分”

研究团队设计的全新分离路径是建构高精度纳米通道膜材料，以离子筛分机制对性质极为相似的镧系元素进行原子级精准分离，选择性达100%，突破了传统萃取依赖化学亲和力差异的分离范式。

在分离策略上，最新进展已展现了可行性：在萃取体系下，镧系元素的渗透百分比显著提高，渗透动力学加快，24小时内的渗透百分比可达95%，说明基于通道尺寸的筛分可完全将不同大小的离子分离至不同侧。

膜材料与配体协同精准识别

后续研究成果进一步丰富了筛分路径：模仿生物钙离子通道的单排离子吸附机制，构建出可单排吸附目标离子的通道结构，将吸附材料直接转化为分离膜，既能快速通透目标金属离子，又能精准排斥竞争离子，从原理上突破传统膜分离与重金属离子兼容性差的瓶颈。

同时，通过设计特定螯合配体与金属离子的配位作用，在温和条件下精确分离元素，为镧系元素的高效富集提供了新的分子工具。这两条路径共同构成了“分子识别+纳米限域筛分”的双重保障，使得每一个离子在穿过膜的瞬间都被“精准识别”。

面向核废料与复杂分离任务的拓展能力

新策略在乏燃料后处理和稀土分离中的拓展性也很强。通过化学氧化与GOM筛分及溶剂萃取的简单耦合，可在高酸条件下实现镧系与锕系元素的高效组分离。在强酸性溶液中，锕系元素被氧化为线性的锕酰离子，镧系元素保持球形，尺寸和空间构型存在显著差异，可通过GOM特定通道尺寸进行筛分。可以预期，分离策略可进一步修改和扩展，完成核燃料循环中的其他分离任务。

从高纯材料到核废料治理

颠覆高纯稀土制造，降本增效

以镧系元素为基的荧光材料、激光晶体、高纯稀土靶材等行业长期受限于纯度瓶颈。原子级筛分技术可将特定镧系离子的回收纯度提升至前所未有的水平，为制造新一代高精尖材料奠定基础。在稀土湿法冶金过程中引入精准筛分环节，能够大幅缩短传统多级萃取流程，减少酸碱消耗和放射性废渣排放，实现“绿色冶金”与“高值化利用”。

攻克核废料处理“世界级难题”

乏核燃料后处理中，锕系与镧系的分离是核废料治理的核心难题(两者化学行为极其相似)。通过氧化将铀、镎、钚等锕系元素转化为线性离子，与保持球形的镧系离子形成构型差异，结合通道尺寸精确控制的分离膜，有望实现百万分之一的分离纯度要求，为高放废液减容和地质处置提供关键技术支持，大幅降低核废料的长期环境风险。

助力关键金属战略安全与资源高效利用

原子级筛分技术还可服务于高相似元素分离体系，如镧系元素间的协同分离、特种同位素提取等，拓展至镓铟、锆铪、钽铌等关键金属的超纯制备。通过将吸附材料与膜分离融合，有望重构资源提取流程——从“先全提后分离”转为“边筛分边富集”，实现关键金属供应链的稳定性和资源利用的最大化。