Un nuovo tempo per il titanio

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Tra i metalli, la forza e la leggerezza del titanio, la resistenza alla corrosione e la capacità di resistere a temperature estreme ne distinguono da tempo il valore, in particolare per applicazioni sensibili al peso e all'ambiente. Quando fu descritto per la prima volta alla fine del XVIII secolo, un co-scopritore chiamò il metallo in onore dei Titani, divinità nate dalla Terra e dal cielo nell'antica mitologia greca.

Il tempo ha solo lucidato la lucentezza del titanio. "Sono uno scienziato dei materiali, quindi la gente a volte mi chiede: 'qual è il tuo elemento preferito?'", afferma Andrew Minor, professore di scienza e ingegneria dei materiali. Per edifici, aeroplani, missili, astronavi e altro, dice, "se vuoi il materiale più resistente con il minor peso, è il titanio. Se potessimo, faremmo tutto in titanio".

In effetti, per i progettisti industriali, la prospettiva di automobili, camion e aeroplani resistenti, leggeri e ad alta efficienza nei consumi, o di navi mercantili super resistenti alla corrosione, il titanio deve essere la materia dei sogni.

Il problema? "È troppo costoso", afferma Minor riferendosi al titanio o alle leghe di titanio di livello industriale che altrimenti potrebbero sostituire l'acciaio quando sarebbero sufficienti solo i materiali più resistenti e durevoli. Infatti, il costo di produzione del titanio è circa sei volte maggiore di quello dell’acciaio inossidabile. Di conseguenza, i suoi usi sono rimasti limitati a parti speciali per il settore aerospaziale, articoli di fascia alta come gioielli o altre applicazioni di nicchia.

Inoltre, il titanio puro ha solo una resistenza moderata, spiega Minor. Può essere rinforzato con elementi come ossigeno, alluminio, molibdeno, vanadio e zirconio; tuttavia, ciò va spesso a scapito della duttilità, ovvero la capacità di un metallo di essere trafilato o deformato senza fratturarsi.

Ora, dopo un decennio di ricerca, una nuova era per il titanio, comprese applicazioni ingegneristiche notevolmente ampliate, potrebbe avvicinarsi, grazie a Minor e ai suoi colleghi di Berkeley, tra cui Mark Asta, Daryl Chrzan e JW Morris Jr., anche loro professori presso il Dipartimento di Scienze dei materiali e Ingegneria. Hanno sondato e stimolato il titanio in vari modi nella speranza di espandere il suo uso pratico per una varietà di applicazioni strutturali o ingegneristiche.

In una serie di studi, i ricercatori hanno sviluppato nuove intuizioni fondamentali sul titanio, comprese ricette per produrre leghe di titanio migliori e una tecnica di crioforgiatura per produrre titanio di livello industriale: progressi che potrebbero alla fine portare a soluzioni più efficienti in termini di costi e sostenibili. produzione.

Un disegno schematico del processo criomeccanico che dà come risultato il titanio nanogeinato. (Illustrazione di Andrew Minor)

È importante capire che il costo del titanio non è dovuto alla sua rarità. Il titanio non è un metallo prezioso; piuttosto, si trova quasi ovunque nel mondo, nelle rocce ignee vicino alla superficie. È il nono elemento più abbondante della Terra e il quarto metallo più abbondante e può essere utilizzato per creare oggetti sia nella sua forma pura che come lega.

Invece, ciò che determina il costo eccessivo del titanio di qualità commerciale, spiega Minor, è il complesso processo Kroll più spesso utilizzato per produrre barre di titanio, lingotti e altre forme di metallo che possono essere fabbricate in parti utilizzabili e altri prodotti. Il processo prevede l’uso di materiali costosi come il gas argon, ed è ad alto consumo energetico, richiedendo molteplici fusioni a temperature estremamente elevate, soprattutto per controllare le impurità dell’ossigeno.

In effetti, il titanio e l’ossigeno hanno una relazione sconcertante, che Minor, Asta, Chrzan, Morris e colleghi hanno voluto comprendere meglio. Il team sapeva che un'impurità di ossigeno viene spesso utilizzata per le leghe di titanio per sfruttare un potente effetto rinforzante. Il titanio prodotto con solo un piccolo aumento della quantità di ossigeno atomico può dare come risultato un metallo con una resistenza notevolmente aumentata.