Para marcar o Ano Internacional da Tabela Periódica de Elementos Químicos, estamos a analisar a forma como os investigadores estudam alguns dos elementos no seu trabalho.
Hoje em dia é o titânio, um metal conhecido pela sua força e leveza, por isso é ideal para fazer as ancas, joelhos e outras peças de substituição do nosso corpo, mas também é utilizado noutras indústrias.
Titanium recebe o seu nome dos Titãs da mitologia grega antiga, mas este material completamente moderno é bem adequado a uma enorme gama de aplicações de alta tecnologia.
Com o símbolo químico Ti e um número atómico de 22, o titânio é um metal cor de prata valorizado pela sua baixa densidade, alta resistência e resistência à corrosão.
Estudei o titânio pela primeira vez através de um mestrado no Instituto de Investigação de Metais na Academia Chinesa de Ciências em 1999. Um dos meus projectos foi investigar a formação de ligas de titânio pelas suas características de alta resistência.
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Desde então, as aplicações deste metal cresceram exponencialmente, desde a sua utilização (como dióxido de titânio) em tintas, papel, pasta de dentes, protector solar e cosméticos, até à sua utilização como liga em implantes biomédicos e inovações aeroespaciais.
Particularmente excitante é o casamento perfeito entre o titânio e a impressão 3D.
Concepção personalizada da impressão 3D
Os materiais de titânio são caros e podem ser problemáticos quando se trata de tecnologias de processamento tradicionais. Por exemplo, o seu elevado ponto de fusão (1,670℃, muito superior ao das ligas de aço) é um desafio.
A precisão relativamente baixa do custo da impressão 3D é, portanto, um alterador de jogo para o titânio. A impressão 3D é onde um objecto é construído camada a camada e os desenhadores podem criar formas surpreendentes.
Isto permite a produção de formas complexas tais como peças de substituição de um osso do maxilar, calcanhar, anca, implantes dentários, ou placas de cranioplastia em cirurgia. Também pode ser utilizado para fazer tacos de golfe e componentes de aviões.
O CSIRO está a trabalhar com a indústria para desenvolver novas tecnologias na impressão 3D utilizando titânio. (Até fez um dragão de titânio.)
Avanços na impressão 3D estão a abrir novos caminhos para melhorar ainda mais a função dos implantes personalizados de partes do corpo feitos de titânio.
Tais implantes podem ser concebidos para serem porosos, tornando-os mais leves mas permitindo a passagem de sangue, nutrientes e nervos e podendo mesmo promover o crescimento dos ossos.
Safe no corpo
Titânio é considerado o metal mais biocompatível – não prejudicial ou tóxico para os tecidos vivos – devido à sua resistência à corrosão por fluidos corporais. Esta capacidade de resistir ao ambiente corporal agressivo é o resultado da película protectora de óxido que se forma naturalmente na presença de oxigénio.
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A capacidade de ligação física com osso também dá ao titânio uma vantagem sobre outros materiais que requerem a utilização de um adesivo para permanecer ligado. Os implantes de titânio duram mais tempo, e são necessárias forças muito maiores para quebrar as ligações que os unem ao corpo em comparação com as suas alternativas.
As ligas de titânio comummente utilizadas em implantes de carga são significativamente menos rígidas – e mais próximas no desempenho do osso humano – do que o aço inoxidável ou ligas à base de cobalto.
Aerospace applications
Titanium pesa cerca de metade do aço, mas é 30% mais forte, o que o torna ideal para a indústria aeroespacial, onde cada grama é importante.
No final dos anos 40, o governo dos EUA ajudou a pôr em marcha a produção de titânio, pois podia ver o seu potencial para “aviões, mísseis, naves espaciais, e outros fins militares”.
Titanium tem vindo a tornar-se cada vez mais o material “buy-to-fly” para os designers de aviões que se esforçam por desenvolver aviões mais rápidos, leves e eficientes.
Sobre 39% do Raptor F22 da Força Aérea dos EUA, um dos aviões de caça mais avançados do mundo, é feito de titânio.
A aviação civil moveu-se na mesma direcção com o novo 787 Dreamliner da Boeing feito de 15% de titânio, significativamente mais do que os modelos anteriores.
Duas áreas chave onde o titânio é utilizado em aviões está nos seus trens de aterragem e motores a jacto. O trem de aterragem precisa de resistir às enormes quantidades de força exercida sobre ele sempre que um avião atinge uma pista.
A resistência do titânio significa que pode absorver as enormes quantidades de energia expelidas quando um avião aterra sem nunca enfraquecer.
A resistência ao calor do titânio significa que pode ser usado dentro dos modernos motores a jacto, onde as temperaturas podem atingir 800℃. O aço começa a amolecer por volta de 400℃ mas o titânio pode suportar o calor intenso de um motor a jacto sem perder a sua resistência.
Onde encontrar titânio
No seu estado natural, o titânio é sempre encontrado ligado a outros elementos, geralmente dentro de rochas ígneas e sedimentos derivados dos mesmos.
Os materiais mais comummente extraídos contendo titânio são ilmenite (um óxido de ferro-titânio, FeTiO3) e rutilo (um óxido de titânio, TiO2).
Ilmenite é mais abundante na China, enquanto a Austrália tem a maior proporção global de rutilo, cerca de 40% de acordo com a Geoscience Australia. Encontra-se principalmente nas costas leste, oeste e sul da Austrália.
Alguns materiais são geralmente extraídos das areias, após o que o titânio é separado dos outros minerais.
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Austrália é um dos principais produtores mundiais de titânio, produzindo mais de 1,5 milhões de toneladas em 2014. A África do Sul e a China são os dois próximos principais produtores de titânio, produzindo 1,16 e 1 milhão de toneladas, respectivamente.
Estando entre os dez elementos mais abundantes da crosta terrestre, os recursos de titânio não estão actualmente ameaçados – boas notícias para os muitos cientistas e inovadores que procuram constantemente novas formas de melhorar a vida com o titânio.
Se é um investigador académico que trabalha com um elemento particular da tabela periódica e tem uma história interessante para contar então porque não entrar em contacto.