Pour marquer l’Année internationale du tableau périodique des éléments chimiques, nous nous intéressons à la façon dont les chercheurs étudient certains de ces éléments dans leur travail.
Aujourd’hui, c’est le titane, un métal connu pour sa résistance et sa légèreté, donc idéal pour fabriquer des hanches, des genoux et d’autres parties de notre corps de remplacement, mais il est également utilisé dans d’autres industries.
Le titane tire son nom des Titans de la mythologie grecque antique, mais ce matériau tout à fait moderne est bien adapté à une énorme gamme d’applications de haute technologie.
Avec le symbole chimique Ti et un numéro atomique de 22, le titane est un métal de couleur argentée apprécié pour sa faible densité, sa grande solidité et sa résistance à la corrosion.
J’ai d’abord étudié le titane via une maîtrise à l’Institut de recherche sur les métaux de l’Académie chinoise des sciences en 1999. L’un de mes projets consistait à étudier la formation des alliages de titane pour leurs caractéristiques de haute résistance.
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Depuis lors, les applications de ce métal ont connu une croissance exponentielle, depuis son utilisation (sous forme de dioxyde de titane) dans les peintures, le papier, le dentifrice, les écrans solaires et les cosmétiques, jusqu’à son utilisation comme alliage dans les implants biomédicaux et les innovations aérospatiales.
Particulièrement excitant est le mariage parfait entre le titane et l’impression 3D.
Custom design from 3D printing
Les matériaux en titane sont coûteux et peuvent être problématiques lorsqu’il s’agit de technologies de traitement traditionnelles. Par exemple, son point de fusion élevé (1 670℃, bien plus élevé que les alliages d’acier) constitue un défi.
La précision relativement peu coûteuse de l’impression 3D change donc la donne pour le titane. L’impression 3D consiste à construire un objet couche par couche et les concepteurs peuvent créer des formes étonnantes.
Cela permet de produire des formes complexes telles que des pièces de remplacement d’un os de la mâchoire, du talon, de la hanche, des implants dentaires ou des plaques de cranioplastie en chirurgie. Il peut également être utilisé pour fabriquer des clubs de golf et des composants d’avions.
Le CSIRO travaille avec l’industrie pour développer de nouvelles technologies d’impression 3D avec du titane. (Il a même fabriqué un dragon en titane.)
Les progrès de l’impression 3D ouvrent de nouvelles voies pour améliorer encore la fonction des implants personnalisés de parties du corps en titane.
Ces implants peuvent être conçus pour être poreux, ce qui les rend plus légers mais permet au sang, aux nutriments et aux nerfs de passer et peut même favoriser la croissance osseuse.
Sécurité dans le corps
Le titane est considéré comme le métal le plus biocompatible – non nocif ou toxique pour les tissus vivants – en raison de sa résistance à la corrosion par les fluides corporels. Cette capacité à résister à l’environnement corporel difficile est le résultat du film d’oxyde protecteur qui se forme naturellement en présence d’oxygène.
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Sa capacité à se lier physiquement à l’os donne également au titane un avantage par rapport à d’autres matériaux qui nécessitent l’utilisation d’un adhésif pour rester attachés. Les implants en titane durent plus longtemps, et des forces beaucoup plus importantes sont nécessaires pour rompre les liens qui les unissent au corps par rapport à leurs alternatives.
Les alliages de titane couramment utilisés dans les implants porteurs sont nettement moins rigides – et plus proches en termes de performance de l’os humain – que l’acier inoxydable ou les alliages à base de cobalt.
Applications aérospatiales
Le titane pèse environ deux fois moins que l’acier mais est 30 % plus résistant, ce qui le rend parfaitement adapté à l’industrie aérospatiale où chaque gramme compte.
À la fin des années 1940, le gouvernement américain a aidé à faire démarrer la production de titane car il voyait son potentiel pour « les avions, les missiles, les engins spatiaux et d’autres usages militaires ».
Le titane est devenu de plus en plus le matériau d’achat pour les concepteurs d’avions qui s’efforcent de développer des appareils plus rapides, plus légers et plus efficaces.
Environ 39% du F22 Raptor de l’US Air Force, l’un des avions de combat les plus avancés au monde, est fabriqué en titane.
L’aviation civile a évolué dans la même direction avec le nouveau 787 Dreamliner de Boeing composé de 15% de titane, soit nettement plus que les modèles précédents.
Deux domaines clés où le titane est utilisé dans les avions de ligne sont leur train d’atterrissage et leurs moteurs à réaction. Le train d’atterrissage doit résister aux quantités massives de force exercées sur lui chaque fois qu’un avion frappe une piste.
La ténacité du titane signifie qu’il peut absorber les énormes quantités d’énergie expulsées lorsqu’un avion atterrit sans jamais s’affaiblir.
La résistance à la chaleur du titane signifie qu’il peut être utilisé à l’intérieur des moteurs à réaction modernes, où les températures peuvent atteindre 800℃. L’acier commence à se ramollir vers 400℃, mais le titane peut résister à la chaleur intense d’un moteur à réaction sans perdre sa résistance.
Où trouver du titane
À l’état naturel, le titane se trouve toujours lié à d’autres éléments, généralement au sein de roches ignées et de sédiments qui en sont dérivés.
Les matériaux les plus couramment exploités contenant du titane sont l’ilménite (un oxyde de fer-titane, FeTiO3) et le rutile (un oxyde de titane, TiO2).
L’ilménite est le plus abondant en Chine, tandis que l’Australie a la plus grande proportion mondiale de rutile, environ 40% selon Geoscience Australia. On le trouve principalement sur les côtes est, ouest et sud de l’Australie.
Les deux matériaux sont généralement extraits des sables, après quoi le titane est séparé des autres minéraux.
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L’Australie est l’un des principaux producteurs mondiaux de titane, avec une production de plus de 1,5 million de tonnes en 2014. L’Afrique du Sud et la Chine sont les deux prochains producteurs de titane, produisant respectivement 1,16 et 1 million de tonnes.
Etant parmi les dix éléments les plus abondants de la croûte terrestre, les ressources en titane ne sont pas actuellement menacées – une bonne nouvelle pour les nombreux scientifiques et innovateurs qui cherchent constamment de nouvelles façons d’améliorer la vie avec le titane.
Si vous êtes un chercheur universitaire travaillant avec un élément particulier du tableau périodique et que vous avez une histoire intéressante à raconter, alors pourquoi ne pas nous contacter.