Z okazji Międzynarodowego Roku Układu Okresowego Pierwiastków Chemicznych przyglądamy się, jak naukowcy badają niektóre z pierwiastków w swojej pracy.
Dzisiaj jest to tytan, metal znany ze swojej wytrzymałości i lekkości, więc jest idealny do produkcji zamiennych bioder, kolan i innych części naszego ciała, ale jest również wykorzystywany w innych gałęziach przemysłu.
Tytan wziął swoją nazwę od Tytanów ze starożytnej mitologii greckiej, ale ten na wskroś nowoczesny materiał jest dobrze dostosowany do ogromnej liczby zastosowań w zaawansowanych technologiach.
Mając symbol chemiczny Ti i liczbę atomową 22, tytan jest metalem o srebrnej barwie, cenionym za niską gęstość, wysoką wytrzymałość i odporność na korozję.
Po raz pierwszy studiowałem tytan w ramach studiów magisterskich w Instytucie Badań nad Metalami w Chińskiej Akademii Nauk w 1999 roku. Jednym z moich projektów było zbadanie powstawania stopów tytanu pod kątem ich właściwości wysokowytrzymałościowych.
Czytaj dalej: Od epoki brązu do puszek z żywnością, oto jak cyna zmieniła ludzkość
Od tego czasu zastosowania tego metalu wzrosły wykładniczo, od jego wykorzystania (jako dwutlenku tytanu) w farbach, papierze, paście do zębów, filtrach przeciwsłonecznych i kosmetykach, poprzez wykorzystanie go jako stopu w implantach biomedycznych i innowacjach lotniczych i kosmicznych.
Szczególnie ekscytujące jest doskonałe połączenie tytanu i druku 3D.
Projektowanie na zamówienie z druku 3D
Materiały tytanowe są drogie i mogą być problematyczne, jeśli chodzi o tradycyjne technologie przetwarzania. Na przykład, wysoka temperatura topnienia (1,670 ℃, znacznie wyższa niż w przypadku stopów stali) jest wyzwaniem.
Względnie tania precyzja druku 3D jest więc dla tytanu przełomem. Druk 3D polega na tym, że obiekt jest budowany warstwa po warstwie, a projektanci mogą tworzyć niesamowite kształty.
To pozwala na produkcję skomplikowanych kształtów, takich jak części zamienne kości szczęki, pięty, biodra, implanty dentystyczne lub płyty kranioplastyki w chirurgii. Może być również wykorzystywany do produkcji kijów golfowych i komponentów samolotów.
The CSIRO współpracuje z przemysłem w celu opracowania nowych technologii w druku 3D z wykorzystaniem tytanu. (Stworzyło nawet smoka z tytanu).
Postępy w druku 3D otwierają nowe możliwości dalszego ulepszania funkcji zindywidualizowanych implantów części ciała wykonanych z tytanu.
Takie implanty mogą być zaprojektowane tak, aby były porowate, co czyni je lżejszymi, ale pozwala krwi, substancjom odżywczym i nerwom przechodzić przez nie, a nawet może promować wzrost kości.
Bezpieczny w ciele
Tytan jest uważany za najbardziej biokompatybilny metal – nie jest szkodliwy ani toksyczny dla żywych tkanek – ze względu na jego odporność na korozję spowodowaną płynami ustrojowymi. Ta zdolność do wytrzymania trudnego środowiska ciała jest wynikiem ochronnej warstwy tlenku, która tworzy się naturalnie w obecności tlenu.
Czytaj dalej: Wodór napędza rakiety, ale co z energią dla codziennego życia? We’re getting closer
Its ability to physically bond with bone also gives titanium an advantage over other materials that require the use of an adhesive to remain attached. Implanty tytanowe działają dłużej, a do zerwania wiązań łączących je z ciałem wymagane są znacznie większe siły w porównaniu z ich alternatywnymi odpowiednikami.
Stopy tytanu powszechnie stosowane w implantach nośnych są znacznie mniej sztywne – i bardziej zbliżone w działaniu do ludzkiej kości – niż stal nierdzewna lub stopy na bazie kobaltu.
Zastosowania w przemyśle lotniczym
Tytan waży o połowę mniej niż stal, ale jest o 30% mocniejszy, co sprawia, że idealnie nadaje się do przemysłu lotniczego i kosmicznego, gdzie każdy gram ma znaczenie.
Pod koniec lat 40-tych XX wieku rząd USA pomógł w uruchomieniu produkcji tytanu, ponieważ dostrzegł jego potencjał dla „samolotów, rakiet, statków kosmicznych i innych celów wojskowych”.
Tytan w coraz większym stopniu staje się materiałem „buy-to-fly” dla projektantów samolotów dążących do opracowania szybszych, lżejszych i bardziej wydajnych samolotów.
Około 39% F22 Raptor Sił Powietrznych USA, jednego z najbardziej zaawansowanych myśliwców na świecie, jest wykonane z tytanu.
Lotnictwo cywilne poszło w tym samym kierunku z nowym Boeing 787 Dreamliner wykonane z 15% tytanu, znacznie więcej niż poprzednie modele.
Dwa kluczowe obszary, w których tytan jest używany w samolotach jest w ich podwozia i silników odrzutowych. Podwozie musi wytrzymać ogromne siły wywierane na nie za każdym razem, gdy samolot uderza o pas startowy.
Tytanowa wytrzymałość oznacza, że może wchłonąć ogromne ilości energii wyrzucanej podczas lądowania bez jakiegokolwiek osłabienia.
Odporność tytanu na ciepło oznacza, że może on być stosowany wewnątrz nowoczesnych silników odrzutowych, gdzie temperatury mogą osiągać 800 ℃. Stal zaczyna mięknąć przy około 400℃, ale tytan może wytrzymać intensywne ciepło silnika odrzutowego bez utraty wytrzymałości.
Gdzie znaleźć tytan
W swoim naturalnym stanie, tytan zawsze występuje w połączeniu z innymi pierwiastkami, zazwyczaj w skałach iglastych i osadach z nich pochodzących.
Najczęściej wydobywanymi materiałami zawierającymi tytan są ilmenit (tlenek żelaza i tytanu, FeTiO3) i rutyl (tlenek tytanu, TiO2).
Ilmenit występuje najliczniej w Chinach, podczas gdy Australia ma najwyższy globalny udział rutylu, około 40% według Geoscience Australia. Występuje on głównie na wschodnim, zachodnim i południowym wybrzeżu Australii.
Oba materiały są zazwyczaj wydobywane z piasków, po czym tytan jest oddzielany od innych minerałów.
Czytaj dalej: Gdzie się wychowałeś? How strontium in your teeth can help answer that question
Australia jest jednym z wiodących światowych producentów tytanu, produkując ponad 1,5 mln ton w 2014 roku. Republika Południowej Afryki i Chiny są dwoma kolejnymi wiodącymi producentami tytanu, produkując odpowiednio 1,16 i 1 mln ton.
Będąc w pierwszej dziesiątce najbardziej obfitych pierwiastków w skorupie ziemskiej, zasoby tytanu nie są obecnie zagrożone – dobra wiadomość dla wielu naukowców i innowatorów stale poszukujących nowych sposobów na poprawę życia za pomocą tytanu.
Jeśli jesteś badaczem akademickim pracującym z konkretnym pierwiastkiem z układu okresowego i masz ciekawą historię do opowiedzenia to dlaczego nie skontaktować się z nami.