美國康奈爾大學研究人員利用工程菌提取稀土元素

美國康奈爾大學的科學家們正在設計細菌以提取稀土元素，他們認為這一工藝可以取代目前使用的熱化學方法。研究人員已經(jīng)篩選了氧化葡萄糖桿菌，并進行了全基因組測序，以判斷其生物浸出能力。

這種細菌可以產(chǎn)出一種名為“生物浸出劑”的酸，這種酸可以溶解巖石并提取稀土磷酸鹽。

博士后研究人員Alexa Schmitz 表示，葡萄糖桿菌是一種醋酸菌，能夠從糖類中生產(chǎn)出有機強酸，該細菌的特別之處在于可以快速將葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖酸和其他類似的化合物，隨后可用于提取過程。這些有機酸在自然環(huán)境中可以快速分解，對生物的危害較小。

這項研究工作的目的是通過修改細菌的基因來更有效地提取元素。為此，研究人員采用了一種“敲除數(shù)獨”的方法，能夠逐個禁用細菌基因組中的2733 個基因。

Schmitz 表示：“雖然有優(yōu)秀的工具來讀取和編寫基因組，但人們只了解一小部分基因的功能，掌握基因功能的最好方法之一是禁用該基因并監(jiān)測其功能的變化，研究發(fā)現(xiàn)一些基因的缺失會提高生物浸出能力，最高可達18%。”

在該項研究中，研究人員創(chuàng)造了一組菌株，每個菌株都有一個不同的基因被禁用，對這些禁用基因的菌株進行篩選后，發(fā)現(xiàn)超過300 個菌株具有不同程度的利用葡萄糖降低培養(yǎng)基pH 值的能力，這是一個很好的反映生物采礦效率的預測指標。研究人員在這一組菌株中挑出了最強和最弱的酸化劑以確認對生物采礦的直接影響。

研究人員正在努力調(diào)節(jié)這種加速酸生成的基因，希望能夠創(chuàng)造一種系統(tǒng)，使細菌可以將廉價的纖維素衍生糖作為能量。該研究團隊使用質(zhì)譜技術測定了突變體暴露在礦石溶液中的稀土元素的濃度，發(fā)現(xiàn)其中一些突變體的濃度很高。

Schmitz 表示：“我們測試了提取的稀土元素，將細菌產(chǎn)生的生物溶出劑與干餾磷粉混合，搖晃培養(yǎng)3 天后，除去剩余的固體雜質(zhì)，使用電感耦合等離子質(zhì)譜儀（ICP-MS）測定滲濾液中所有稀土元素的濃度。測試結果表明，酸化效果得到改善的基因敲除菌株的生物采礦效率提高了18%。值得注意的是，一些生物采礦表現(xiàn)較好的菌株，其參與磷酸鹽特殊轉(zhuǎn)運（Pst）系統(tǒng)的基因遭到破壞。微生物產(chǎn)生有機酸的一個主要原因是為了溶解環(huán)境中的磷酸鹽和其他礦物質(zhì)?！盤st 系統(tǒng)對于檢測磷酸鹽至關重要，研究人員認為，缺乏這些基因意味著細菌感覺不到其體內(nèi)有足夠的磷酸鹽，因此會產(chǎn)生更多的有機酸。

（Institute of Materials,Minerals &Mining）

人造材料模仿稀土化合物

物理學家發(fā)明了一種新型超薄雙層材料，具有稀土化合物才具備的量子特性。該成果發(fā)表在Nature 期刊上，研究表明這種材料相對易于制造且不含稀土金屬，能夠為量子計算提供新的計算平臺。這種材料還有助于推進非常規(guī)超導和量子臨界的研究。具體來說，研究人員認為從這種看似普通的材料開始，物質(zhì)可能會出現(xiàn)一種全新的量子態(tài)。

該發(fā)現(xiàn)源于創(chuàng)造量子自旋液體的研究，量子自旋液體可用于研究新的量子現(xiàn)象，如規(guī)范理論。該研究需要制造單層原子厚度的二硫化鉭，該過程同樣制造出雙層島狀物。

芬蘭阿爾托大學的研究團隊在研究這些島狀物時發(fā)現(xiàn)，兩層之間的相互作用引發(fā)了近藤效應，導致物質(zhì)的宏觀糾纏態(tài)產(chǎn)生重費米子系統(tǒng)。

近藤效應是磁性雜質(zhì)與電子之間的相互作用，導致材料的電阻隨溫度變化。這導致電子表現(xiàn)得好像它們有更大的質(zhì)量，因此這些化合物被稱為重費米子材料。這種現(xiàn)象是含稀土元素材料的特點。重費米子材料在前沿物理的幾個領域都很重要，包括量子材料的研究。

該研究的共同作者Peter Liljeroth 在一份媒體聲明中表示，“研究復雜的量子材料受到了天然化合物特性的阻礙。我們的目標是生產(chǎn)人工設計材料，這種材料可以很容易地在外部調(diào)節(jié)和控制，以擴大在實驗室中可以實現(xiàn)的獨特現(xiàn)象的范圍。例如，重費米子材料可以作為拓撲超導體，這可以用于構建對噪聲和環(huán)境擾動更強的量子位，從而降低量子計算機的錯誤率?！?/p>

該論文的第一作者，Liljeroth 小組的博士生Viliam Vaňo 表示，“如果能在現(xiàn)實生活中制造出這樣的裝置，將能夠輕易地將重費米子材料系統(tǒng)整合到電子設備中，并在外部進行調(diào)諧，從而最終因此受益。雖然新材料中的兩層都是硫化鉭，但它們在性質(zhì)上有細微但重要的區(qū)別。其中一層像金屬一樣傳導電子，而另一層的結構變化導致電子被局限到一個規(guī)則的晶格中。這兩種結果的結合導致了重費米子物理的出現(xiàn)，而這兩個層無法單獨形成該現(xiàn)象。”

這種新的重費米子材料也為探測量子臨界性提供了強有力的工具。該研究的共同作者Jose Lado 表示，“當材料開始從一個集體量子態(tài)移動到另一個量子態(tài)時，可以達到一個量子臨界點，例如從一個普通的磁鐵到一個糾纏的重費米粒子材料。在這些狀態(tài)之間，整個系統(tǒng)非常關鍵，對最輕微的變化做出強烈反應，并提供了一個設計更獨特的量子物質(zhì)的理想平臺?！?/p>

Liljeroth 認為，這些發(fā)現(xiàn)有助于未來進一步探索在每個薄層對于另一個薄層的旋轉(zhuǎn)時，系統(tǒng)如何做出反應，并嘗試修改層間的耦合，以調(diào)整材料的量子臨界行為。

（中國地質(zhì)調(diào)查局）