El titanio es el metal perfecto para fabricar piezas de repuesto del cuerpo humano.

Mar 05, 2024

Profesor de Ingeniería Mecánica, Universidad Edith Cowan

Laichang Zhang recibe financiación del Consejo Australiano de Investigación a través de Discovery Projects.

La Universidad Edith Cowan proporciona financiación como miembro de The Conversation AU.

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Para conmemorar el Año Internacional de la Tabla Periódica de Elementos Químicos, analizamos cómo los investigadores estudian algunos de los elementos en su trabajo.

Hoy en día es el titanio, un metal conocido por su resistencia y ligereza por lo que es ideal para fabricar prótesis de cadera, 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 completamente moderno se adapta bien a una amplia gama 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, alta resistencia y resistencia a la corrosión.

Estudié titanio por primera vez a través de una maestría en el Instituto de Investigación de Metales de la Academia de Ciencias de China en 1999. Uno de mis proyectos fue 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 uso como aleación en implantes biomédicos e innovaciones aeroespaciales.

Particularmente emocionante es la combinación perfecta entre el titanio y la impresión 3D.

Los materiales de titanio son caros y pueden resultar problemáticos cuando se trata de tecnologías de procesamiento tradicionales. Por ejemplo, su alto punto de fusión (1.670 ℃, mucho más alto que el de las aleaciones de acero) es un desafío.

Por lo tanto, la precisión de coste relativamente bajo de la impresión 3D supone un punto de inflexión para el titanio. La impresión 3D es donde se construye un objeto capa por capa y los diseñadores pueden crear formas asombrosas.

Esto permite la producción de formas complejas, como piezas de repuesto de la mandíbula, el talón, la cadera, implantes dentales o placas de craneoplastia en cirugía. También se puede utilizar para fabricar palos de golf y componentes de aviones.

El CSIRO está trabajando con la industria para desarrollar nuevas tecnologías de impresión 3D utilizando titanio. (Incluso hizo un dragón de titanio).

Los avances en la impresión 3D están abriendo nuevas vías para mejorar aún más la función de los implantes de partes del cuerpo personalizados hechos de titanio.

Estos implantes pueden diseñarse para que sean porosos, haciéndolos más livianos pero permitiendo el paso de la sangre, los nutrientes y los nervios e incluso pueden promover el crecimiento óseo.

El titanio se considera el metal más biocompatible (no dañino ni tóxico para los tejidos vivos) debido a su resistencia a la corrosión de los fluidos corporales. Esta capacidad de resistir el duro entorno corporal es el resultado de la película protectora de óxido que se forma naturalmente en presencia de oxígeno.

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Su capacidad para unirse físicamente al hueso también le da al titanio una ventaja sobre otros materiales que requieren el uso de un adhesivo para permanecer adherido. Los implantes de titanio duran más y se requieren fuerzas mucho mayores para romper los enlaces que los unen al cuerpo en comparación con sus alternativas.

Las aleaciones de titanio comúnmente utilizadas en implantes que soportan carga son significativamente menos rígidas (y tienen un rendimiento más cercano al hueso humano) que el acero inoxidable o las aleaciones a base de cobalto.

El titanio pesa aproximadamente la mitad que el acero, pero es un 30 % más resistente, lo que lo hace ideal para la industria aeroespacial, donde cada gramo importa.

A finales de la década de 1940, el gobierno de Estados Unidos ayudó a poner en marcha la producción de titanio, ya que pudo 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 volar para los diseñadores de aviones que se esfuerzan por desarrollar aviones más rápidos, ligeros y eficientes.

Aproximadamente el 39% del F22 Raptor de la Fuerza Aérea de EE. UU., uno de los aviones de combate más avanzados del mundo, está hecho de titanio.

La aviación civil avanzó en la misma dirección con el nuevo 787 Dreamliner de Boeing, fabricado con un 15% de titanio, mucho más que los modelos anteriores.

Dos áreas clave donde se utiliza el titanio en los aviones de pasajeros son en sus trenes de aterrizaje y motores a reacción. El tren de aterrizaje debe soportar la enorme fuerza que se ejerce sobre él cada vez que un avión llega a la pista.

La dureza del titanio significa que puede absorber enormes cantidades de energía expulsada cuando un avión aterriza sin debilitarse.

La resistencia al calor del titanio significa que puede usarse dentro de los motores a reacción modernos, donde las temperaturas pueden alcanzar los 800 ℃. El acero comienza a ablandarse alrededor de los 400 ℃, pero el titanio puede soportar el intenso calor de un motor a reacción sin perder su fuerza.

En su estado natural, el titanio siempre se encuentra unido con otros elementos, normalmente dentro de rocas ígneas y sedimentos derivados de ellas.

Los materiales más comúnmente 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 principalmente 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, con una producción de más de 1,5 millones de toneladas en 2014. Sudáfrica y China son los dos siguientes principales productores de titanio, con una producción de 1,16 y 1 millón de toneladas, respectivamente.

Al estar entre los diez elementos más abundantes en la corteza terrestre, los recursos de titanio no están actualmente amenazados: una buena noticia para los muchos científicos e innovadores que buscan constantemente nuevas formas de mejorar la vida con titanio.

Si es un investigador académico que trabaja con un elemento particular de la tabla periódica y tiene una historia interesante que contar, ¿por qué no ponerse en contacto?