Con motivo del Año Internacional de la Tabla Periódica de los Elementos Químicos, echamos un vistazo a cómo los investigadores estudian algunos de los elementos en su trabajo.
Hoy se trata del titanio, un metal conocido por su resistencia y ligereza, por lo que es ideal para fabricar piezas de repuesto para caderas, rodillas y otras partes de nuestro cuerpo, pero también se utiliza en otras industrias.
El titanio recibe su nombre de los titanes de la antigua mitología griega, pero este material tan moderno es idóneo para una gran variedad de aplicaciones de alta tecnología.
Con el símbolo químico Ti y un número atómico de 22, el titanio es un metal de color plateado valorado por su baja densidad, su alta fuerza y su resistencia a la corrosión.
La primera vez que estudié el titanio fue a través de un máster en el Instituto de Investigación de Metales de la Academia China de Ciencias en 1999. Uno de mis proyectos consistía en investigar la formación de aleaciones de titanio por sus características de alta resistencia.
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Desde entonces, las aplicaciones de este metal han crecido exponencialmente, desde su uso (como dióxido de titanio) en pinturas, papel, pasta de dientes, protectores solares y cosméticos, hasta su utilización como aleación en implantes biomédicos e innovaciones aeroespaciales.
Especialmente emocionante el perfecto maridaje entre el titanio y la impresión 3D.
Diseño personalizado a partir de la impresión 3D
Los materiales de titanio son caros y pueden ser problemáticos cuando se trata de tecnologías de procesamiento tradicionales. Por ejemplo, su alto punto de fusión (1.670℃, mucho más alto que las aleaciones de acero) es un reto.
La precisión relativamente económica de la impresión 3D es, por tanto, un cambio de juego para el titanio. En la impresión 3D se construye un objeto capa a capa y los diseñadores pueden crear formas sorprendentes.
Esto permite la producción de formas complejas como piezas de repuesto de un hueso de la mandíbula, el talón, la cadera, implantes dentales o placas de craneoplastia en cirugía. También puede utilizarse para fabricar palos de golf y componentes de aviones.
El CSIRO trabaja con la industria para desarrollar nuevas tecnologías de impresión 3D con titanio. (Incluso ha fabricado un dragón de titanio).
Los avances en la impresión 3D están abriendo nuevas vías para mejorar aún más la función de los implantes personalizados de partes del cuerpo hechos de titanio.
Estos implantes pueden diseñarse para que sean porosos, lo que los hace más ligeros pero permite el paso de sangre, nutrientes y nervios, e incluso puede promover el crecimiento del hueso.
Seguro en el cuerpo
El titanio se considera el metal más biocompatible -no es dañino ni tóxico para los tejidos vivos- debido a su resistencia a la corrosión de los fluidos corporales. Esta capacidad de soportar el duro entorno corporal es el resultado de la película de óxido protectora que se forma de forma natural en presencia del oxígeno.
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Su capacidad para unirse físicamente al hueso también da al titanio una ventaja sobre otros materiales que requieren el uso de un adhesivo para mantenerse unidos. Los implantes de titanio duran más, y se requieren fuerzas mucho mayores para romper las uniones que los unen al cuerpo en comparación con sus alternativas.
Las aleaciones de titanio que se utilizan habitualmente en los implantes de carga son significativamente menos rígidas -y más cercanas en rendimiento al hueso humano- que el acero inoxidable o las aleaciones basadas en el cobalto.
Aplicaciones aeroespaciales
El titanio pesa aproximadamente la mitad que el acero, pero es un 30% más resistente, lo que lo hace idóneo para la industria aeroespacial, donde cada gramo es importante.
A finales de la década de 1940, el gobierno de EE.UU. ayudó a poner en marcha la producción de titanio al ver su potencial para «aviones, misiles, naves espaciales y otros fines militares».
El titanio se ha convertido cada vez más en el material de compra para los diseñadores de aeronaves que se esfuerzan por desarrollar aviones más rápidos, ligeros y eficientes.
Alrededor del 39% del F22 Raptor de la Fuerza Aérea de Estados Unidos, uno de los aviones de combate más avanzados del mundo, está hecho de titanio.
La aviación civil se ha movido en la misma dirección con el nuevo 787 Dreamliner de Boeing, fabricado con un 15% de titanio, una cantidad significativamente mayor que la de los modelos anteriores.
Dos áreas clave en las que se utiliza el titanio en los aviones es en su tren de aterrizaje y en los motores a reacción. El tren de aterrizaje debe soportar las enormes cantidades de fuerza que se ejercen sobre él cada vez que un avión impacta en una pista.
La dureza del titanio significa que puede absorber las enormes cantidades de energía expulsadas cuando un avión aterriza sin debilitarse nunca.
La resistencia al calor del titanio significa que puede utilizarse dentro de los motores de los aviones modernos, donde las temperaturas pueden alcanzar los 800℃. El acero comienza a ablandarse en torno a los 400℃, pero el titanio puede soportar el intenso calor de un motor a reacción sin perder su resistencia.
Dónde encontrar el titanio
En su estado natural, el titanio se encuentra siempre unido a otros elementos, normalmente dentro de rocas ígneas y sedimentos derivados de ellas.
Los materiales más extraídos que contienen titanio son la ilmenita (un óxido de hierro y titanio, FeTiO3) y el rutilo (un óxido de titanio, TiO2).
La ilmenita es más abundante en China, mientras que Australia tiene la mayor proporción mundial de rutilo, alrededor del 40% según Geoscience Australia. Se encuentra sobre todo en las costas este, oeste y sur de Australia.
Ambos materiales se extraen generalmente de arenas, tras lo cual el titanio se separa de los demás minerales.
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Australia es uno de los principales productores de titanio del mundo, produciendo más de 1,5 millones de toneladas en 2014. Sudáfrica y China son los dos siguientes productores de titanio, con una producción de 1,16 y 1 millón de toneladas, respectivamente.
Al estar entre los diez elementos más abundantes de la corteza terrestre, los recursos de titanio no están actualmente amenazados, una buena noticia para los numerosos científicos e innovadores que buscan constantemente nuevas formas de mejorar la vida con el titanio.
Si eres un investigador académico que trabaja con un elemento concreto de la tabla periódica y tienes una historia interesante que contar, ponte en contacto con nosotros.