Ter gelegenheid van het Internationale Jaar van het Periodiek Systeem der Elementen bekijken we hoe onderzoekers sommige elementen in hun werk bestuderen.
Vandaag is dat titanium, een metaal dat bekend staat om zijn sterkte en lichtheid en dus ideaal is voor het maken van vervangende heupen, knieën en andere lichaamsdelen, maar het wordt ook in andere industrieën gebruikt.
Titanium dankt zijn naam aan de Titanen uit de oude Griekse mythologie, maar dit door en door moderne materiaal is zeer geschikt voor een enorme reeks high-tech toepassingen.
Met het chemische symbool Ti en een atoomnummer van 22 is titanium een zilverkleurig metaal dat wordt gewaardeerd om zijn lage dichtheid, hoge sterkte en corrosiebestendigheid.
Ik heb titanium voor het eerst bestudeerd via een masterstudie aan het Instituut voor Metaalonderzoek van de Chinese Academie van Wetenschappen in 1999. Een van mijn projecten was het onderzoeken van de vorming van titaniumlegeringen voor hun hoge-sterkte eigenschappen.
Lees meer: Van het bronzen tijdperk tot conservenblikjes, hier is hoe tin de mensheid veranderde
Sindsdien zijn de toepassingen voor dit metaal exponentieel gegroeid, van het gebruik (als titaniumdioxide) in verf, papier, tandpasta, zonnebrandcrème en cosmetica, tot het gebruik als legering in biomedische implantaten en innovaties in de lucht- en ruimtevaart.
Bijzonder spannend is het perfecte huwelijk tussen titanium en 3D-printen.
Ontwerpen op maat door 3D-printen
Titaniummaterialen zijn duur en kunnen problematisch zijn als het gaat om traditionele verwerkingstechnologieën. Zo is het hoge smeltpunt (1.670℃, veel hoger dan staallegeringen) een uitdaging.
De relatief goedkope precisie van 3D-printen is daarom een game-changer voor titanium. Bij 3D-printen wordt een object laag voor laag opgebouwd en kunnen ontwerpers verbazingwekkende vormen creëren.
Daarmee kunnen complexe vormen worden geproduceerd, zoals vervangende onderdelen van een kaakbot, hiel, heup, tandimplantaten of cranioplastieplaten in de chirurgie. Het kan ook worden gebruikt om golfclubs en vliegtuigonderdelen te maken.
De CSIRO werkt samen met de industrie om nieuwe technologieën te ontwikkelen voor 3D-printen met titanium. (Het heeft zelfs een draak van titanium gemaakt.)
De vooruitgang op het gebied van 3D-printen opent nieuwe mogelijkheden om de functie van op maat gemaakte implantaten van titanium verder te verbeteren.
Zulke implantaten kunnen poreus worden ontworpen, waardoor ze lichter worden, maar bloed, voedingsstoffen en zenuwen doorlaten en zelfs de aangroei van bot kunnen bevorderen.
Veilig in het lichaam
Titanium wordt beschouwd als het meest biocompatibele metaal – niet schadelijk of giftig voor levend weefsel – omdat het bestand is tegen corrosie door lichaamsvloeistoffen. Dit vermogen om het ruwe lichamelijke milieu te weerstaan is een resultaat van de beschermende oxidelaag die zich op natuurlijke wijze vormt in aanwezigheid van zuurstof.
Lees meer: Waterstof voedt raketten, maar hoe zit het met energie voor het dagelijks leven? We’re getting closer
Het vermogen om zich fysiek met bot te hechten geeft titanium ook een voordeel ten opzichte van andere materialen die het gebruik van een kleefstof vereisen om gehecht te blijven. Titaniumimplantaten gaan langer mee en er zijn veel grotere krachten nodig om de hechting met het lichaam te verbreken dan bij alternatieven.
Titaniumlegeringen die gewoonlijk worden gebruikt in dragende implantaten zijn aanzienlijk minder stijf – en qua prestaties dichter bij menselijk bot – dan roestvrijstalen of op kobalt gebaseerde legeringen.
Lucht- en ruimtevaarttoepassingen
Titanium weegt ongeveer half zoveel als staal, maar is 30% sterker, waardoor het bij uitstek geschikt is voor de lucht- en ruimtevaartindustrie, waar elke gram telt.
In de late jaren ’40 hielp de Amerikaanse regering de productie van titanium op gang, omdat zij het potentieel ervan inzag voor “vliegtuigen, raketten, ruimtevaartuigen, en andere militaire doeleinden”.
Titanium is steeds meer het buy-to-fly materiaal geworden voor vliegtuigontwerpers die streven naar de ontwikkeling van snellere, lichtere en efficiëntere vliegtuigen.
Bijna 39% van de F22 Raptor van de Amerikaanse luchtmacht, een van de meest geavanceerde gevechtsvliegtuigen ter wereld, is gemaakt van titanium.
De burgerluchtvaart ging dezelfde kant op met de nieuwe 787 Dreamliner van Boeing, die voor 15% uit titanium bestaat, aanzienlijk meer dan eerdere modellen.
Twee belangrijke gebieden waar titanium in vliegtuigen wordt gebruikt, zijn het landingsgestel en de straalmotoren. Landingsgestellen moeten bestand zijn tegen de enorme hoeveelheden kracht die elke keer wordt uitgeoefend als een vliegtuig de landingsbaan raakt.
Door zijn taaiheid kan titanium de enorme hoeveelheden energie absorberen die vrijkomen als een vliegtuig landt, zonder ooit te verzwakken.
Door zijn hittebestendigheid kan titanium worden gebruikt in moderne straalmotoren, waar de temperatuur kan oplopen tot 800℃. Staal begint zacht te worden bij ongeveer 400℃, maar titanium is bestand tegen de intense hitte van een straalmotor zonder zijn sterkte te verliezen.
Waar vind je titanium
In zijn natuurlijke staat wordt titanium altijd gevonden gebonden met andere elementen, meestal in stollingsgesteenten en sedimenten die daarvan zijn afgeleid.
De meest gedolven materialen die titaan bevatten zijn ilmeniet (een ijzer-titaniumoxide, FeTiO3) en rutiel (een titaniumoxide, TiO2).
Ilmeniet komt het meest voor in China, terwijl Australië het hoogste aandeel rutiel ter wereld heeft, ongeveer 40% volgens Geoscience Australia. Het wordt vooral gevonden aan de oost-, west- en zuidkust van Australië.
Beide materialen worden over het algemeen gewonnen uit zand, waarna het titaan van de andere mineralen wordt gescheiden.
Lees meer: Waar ben je opgegroeid? Hoe strontium in je tanden die vraag kan helpen beantwoorden
Australië is een van ’s werelds grootste producenten van titanium, met een productie van meer dan 1,5 miljoen ton in 2014. Zuid-Afrika en China zijn de twee volgende toonaangevende producenten van titanium, met een productie van respectievelijk 1,16 en 1 miljoen ton.
Behorend tot de top tien van meest overvloedige elementen in de aardkorst, worden titaniumbronnen momenteel niet bedreigd – goed nieuws voor de vele wetenschappers en vernieuwers die voortdurend op zoek zijn naar nieuwe manieren om het leven met titanium te verbeteren.
Als je als academisch onderzoeker met een bepaald element uit het periodiek systeem werkt en een interessant verhaal te vertellen hebt, neem dan contact op.