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美国康奈尔大学研究人员利用工程菌提取稀土元素

美国康奈尔大学的科学家们正在设计细菌以提取稀土元素，他们认为这一工艺可以取代目前使用的热化学方法。研究人员已经筛选了氧化葡萄糖杆菌，并进行了全基因组测序，以判断其生物浸出能力。

这种细菌可以产出一种名为“生物浸出剂”的酸，这种酸可以溶解岩石并提取稀土磷酸盐。

博士后研究人员Alexa Schmitz 表示，葡萄糖杆菌是一种醋酸菌，能够从糖类中生产出有机强酸，该细菌的特别之处在于可以快速将葡萄糖转化为葡萄糖酸和其他类似的化合物，随后可用于提取过程。这些有机酸在自然环境中可以快速分解，对生物的危害较小。

这项研究工作的目的是通过修改细菌的基因来更有效地提取元素。为此，研究人员采用了一种“敲除数独”的方法，能够逐个禁用细菌基因组中的2733 个基因。

Schmitz 表示：“虽然有优秀的工具来读取和编写基因组，但人们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该基因并监测其功能的变化，研究发现一些基因的缺失会提高生物浸出能力，最高可达18%。”

在该项研究中，研究人员创造了一组菌株，每个菌株都有一个不同的基因被禁用，对这些禁用基因的菌株进行筛选后，发现超过300 个菌株具有不同程度的利用葡萄糖降低培养基pH 值的能力，这是一个很好的反映生物采矿效率的预测指标。研究人员在这一组菌株中挑出了最强和最弱的酸化剂以确认对生物采矿的直接影响。

研究人员正在努力调节这种加速酸生成的基因，希望能够创造一种系统，使细菌可以将廉价的纤维素衍生糖作为能量。该研究团队使用质谱技术测定了突变体暴露在矿石溶液中的稀土元素的浓度，发现其中一些突变体的浓度很高。

Schmitz 表示：“我们测试了提取的稀土元素，将细菌产生的生物溶出剂与干馏磷粉混合，摇晃培养3 天后，除去剩余的固体杂质，使用电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）测定渗滤液中所有稀土元素的浓度。测试结果表明，酸化效果得到改善的基因敲除菌株的生物采矿效率提高了18%。值得注意的是，一些生物采矿表现较好的菌株，其参与磷酸盐特殊转运（Pst）系统的基因遭到破坏。微生物产生有机酸的一个主要原因是为了溶解环境中的磷酸盐和其他矿物质。”Pst 系统对于检测磷酸盐至关重要，研究人员认为，缺乏这些基因意味着细菌感觉不到其体内有足够的磷酸盐，因此会产生更多的有机酸。

（Institute of Materials,Minerals &Mining）

人造材料模仿稀土化合物

物理学家发明了一种新型超薄双层材料，具有稀土化合物才具备的量子特性。该成果发表在Nature 期刊上，研究表明这种材料相对易于制造且不含稀土金属，能够为量子计算提供新的计算平台。这种材料还有助于推进非常规超导和量子临界的研究。具体来说，研究人员认为从这种看似普通的材料开始，物质可能会出现一种全新的量子态。

该发现源于创造量子自旋液体的研究，量子自旋液体可用于研究新的量子现象，如规范理论。该研究需要制造单层原子厚度的二硫化钽，该过程同样制造出双层岛状物。

芬兰阿尔托大学的研究团队在研究这些岛状物时发现，两层之间的相互作用引发了近藤效应，导致物质的宏观纠缠态产生重费米子系统。

近藤效应是磁性杂质与电子之间的相互作用，导致材料的电阻随温度变化。这导致电子表现得好像它们有更大的质量，因此这些化合物被称为重费米子材料。这种现象是含稀土元素材料的特点。重费米子材料在前沿物理的几个领域都很重要，包括量子材料的研究。

该研究的共同作者Peter Liljeroth 在一份媒体声明中表示，“研究复杂的量子材料受到了天然化合物特性的阻碍。我们的目标是生产人工设计材料，这种材料可以很容易地在外部调节和控制，以扩大在实验室中可以实现的独特现象的范围。例如，重费米子材料可以作为拓扑超导体，这可以用于构建对噪声和环境扰动更强的量子位，从而降低量子计算机的错误率。”

该论文的第一作者，Liljeroth 小组的博士生Viliam Vaňo 表示，“如果能在现实生活中制造出这样的装置，将能够轻易地将重费米子材料系统整合到电子设备中，并在外部进行调谐，从而最终因此受益。虽然新材料中的两层都是硫化钽，但它们在性质上有细微但重要的区别。其中一层像金属一样传导电子，而另一层的结构变化导致电子被局限到一个规则的晶格中。这两种结果的结合导致了重费米子物理的出现，而这两个层无法单独形成该现象。”

这种新的重费米子材料也为探测量子临界性提供了强有力的工具。该研究的共同作者Jose Lado 表示，“当材料开始从一个集体量子态移动到另一个量子态时，可以达到一个量子临界点，例如从一个普通的磁铁到一个纠缠的重费米粒子材料。在这些状态之间，整个系统非常关键，对最轻微的变化做出强烈反应，并提供了一个设计更独特的量子物质的理想平台。”

Liljeroth 认为，这些发现有助于未来进一步探索在每个薄层对于另一个薄层的旋转时，系统如何做出反应，并尝试修改层间的耦合，以调整材料的量子临界行为。

（中国地质调查局）