تیتانیوم یک فلز مناسب برای جایگزینی در بدن انسان است

به گزارش خبرنگار حوزه علم، فناوری و دانش بنیان گروه دانشگاه خبرگزاری آنا، تیتانیوم امروزه به دلیل استحکام و سبک بودن برای قطعات تعویضی در بدن مثل تعویض مفصل زانو و لگن مورداستفاده قرار می‌گیرد و برای سایر قسمت‌های بدن انسان ایده‌آل است که در صنایع مهم دیگر نیز مورداستفاده می‌شود.

تیتانیوم نام خود را از تایتان‌های اساطیر یونان باستان گرفته است. اما این ماده کاملاً مدرن به‌خوبی با طیف وسیعی از برنامه‌های پیشرفته در حوزه‌های مختلف علمی شناخته‌شده است. تیتانیوم با نماد شیمیایی Ti و عدد اتمی 22، فلزی به رنگ نقره‌ای است که به دلیل چگالی، استحکام بالا و مقاومت در برابر خوردگی بسیار ارزش دارد.

کاربردهای این فلز از زمان استفاده آن به‌عنوان دی‌اکسید تیتانیوم در رنگ‌ها، کاغذ، خمیردندان، ضد آفتاب و لوازم‌آرایشی به‌صورت نمایی افزایش‌یافته و به‌عنوان آلیاژ در ایمپلنت‌های زیست پزشکی، نوآوری‌های هوافضا و چاپ سه‌بعدی مورد توجه قرار گرفته است.

تیتانیوم و استفاده در  چاپ سه‌بعدی سفارشی

تیتانیوم ماده گران‌قیمتی است و استفاده از آن در پردازش فن‌آوری‌های سنتی به دلیل بالا بودن نقطه ذوب (1670 ℃) آن از آلیاژ‌های دیگر یک چالش حساب می‌شود. ازاین‌رو دقت چاپ سه‌بعدی با تیتانیوم نسبتاً کم‌هزینه است. چاپ سه‌بعدی جایی است که یک شی به‌صورت لایه‌ای توسط لایه دیگری ساخته می‌شود و طراحان می‌توانند اشکال شگفت‌انگیز را با استفاده از آن ایجاد کنند. این امر امکان تولید اشکال پیچیده مانند قطعات جایگزین استخوان فک، پاشنه پا، لگن، کاشت دندان یا صفحات کرانیوپلاستی را در جراحی فراهم می‌کند. همچنین می‌توان از آن برای ساخت اجزای هواپیما استفاده کرد.

پیشرفت در چاپ سه‌بعدی راه‌های جدیدی را برای پیشرفت بیشتر عملکرد ایمپلنت‌های مورد استفاده در بدن انسان باز می‌کند. چنین ایمپلنت‌هایی به‌گونه‌ای طراحی‌شده‌اند که باعث سبک‌تر شدن آن‌ها می‌شوند و اجازه عبور خون، مواد مغذی و تحرک اعصاب را می‌دهند و حتی می‌توانند رشد استخوان‌ها را تقویت کنند.

ایمنی تیتانیوم در بدن انسان

تیتانیوم به دلیل مقاومت در برابر خوردگی از مایعات بدن، بیولوژیک‌ترین فلز محسوب می‌شود و برای بافت زنده مضر و سمی نیست. این توانایی در برابر تحمل محیط بدن نتیجه‌ای از فیلم اکسید محافظ است که به‌طور طبیعی در حضور اکسیژن شکل می‌گیرد. توانایی پیوند فیزیکی آن با استخوان نیز برتری تیتانیوم نسبت به سایر مواد را بالا می‌برد. پیوندهای تیتانیوم در بدن دوام بیشتری نسبت به سایر گزینه‌های مشابه دارد. آلیاژهای تیتانیوم که معمولاً در ایمپلنت‌های باربری مورد استفاده قرار می‌گیرند، نسبت به آلیاژهای فولاد ضدزنگ یا کبالت، سفت و سخت‌تر از عملکرد استخوان انسان هستند.

استفاده از تیتانیوم در برنامه‌های هوافضا

وزن تیتانیوم تقریباً نصف فولاد بوده و 30 درصد از آن قوی‌تر است، این باعث می‌شود آن را به‌طور ایده‌آل در صنعت هوافضا که هر گرم در این صنعت اهمیت دارد استفاده کنند. دولت آمریكا از اواخر دهه 1940 با افزایش تولید تیتانیوم آن را در بخش تولید و ساخت هواپیما، موشك، فضاپیما و سایر اهداف نظامی استفاده می‌کند. تیتانیوم به‌طور فزاینده‌ای تبدیل به ماده‌ای برای اوج گرفتن طراحان هواپیما شد که توسعه هواپیماهای سریع‌تر، سبک‌تر و کارآمدتر را در دستور کار خود قرار دادند. آلیاژهای تیتانیوم در بدنه هواپیماهای جنگی، سفینه‌های فضایی، موشک‌ها، موتور هواپیماها، ادوات رزمی، توربین‌های گازی، دوچرخه و کامپیوترهای Laptop مورد استفاده قرار می‌گیرند.

موارد استفاده تیتانیوم

سایر مصارف عمده تیتانیوم در ساخت کاربید تیتانیوم، سرامیک، فرایند شیمیایی و الکتروشیمیایی، ساخت ورقه‌های فلزی و بازیافت آن‌ها، صنعت نفت، سولفور زدایی گاز مایع، نمک‌زدایی آب (تصفیه آب)، ساخت پمپ‌های مخصوص مکش آب از دریا، ساختمان‌سازی، پزشکی (قطعات تعویضی در بدن، دندان‌ها)، صنایع اتومبیل‌سازی، ساخت انباره‌های مخصوص، جهت نگهداری از موادی نظیر ضایعات اتمی و غیره، الیاف تقویت‌کننده جهت استفاده در ترکیبات فلزی، رباط‌های صنعتی، جواهرسازی، ساخت انواع آلیاژها، ذخیره‌سازی انرژی، بالا بردن قابلیت هدایت حرارتی آلیاژها، پرکننده، سنگ‌های جواهرات مصنوعی و نرم‌افزار، ایلمنیت و اکسیدهای تیتان برای تهیه تیتانیوم در آلیاژهای مهم و راهبردی استفاده می‌گردد.

حدود 39 درصد از هواپیماهای F22 Raptor نیروی هوایی ایالات‌متحده که یکی از پیشرفته‌ترین جنگنده‌های جهان حساب می‌شود از تیتانیوم ساخته‌شده است. حمل‌ونقل هوایی غیرنظامی بوئینگ 787 Dreamliner به‌طور قابل‌توجهی بیشتر از مدل‌های قبلی خود در همان جهت حرکت کرد که 15درصد از تیتانیوم ساخته‌شده بود.

مقاومت تیتانیوم در برابر حرارت موتور جت

دو قسمت اصلی هواپیما که از تیتانیوم استفاده می‌شود، موتورهای فرود و موتورهای جت است، چراکه دنده‌های فرود باید در برابر مقادیر عظیم نیرویی که هر بار هواپیما به باند فرودگاه برخورد می‌کند، مقاومت کند. چقرمگی تیتانیوم بدین معنی است که می‌تواند مقادیر عظیمی از انرژی را که هنگام سقوط هواپیما از آن خارج می‌شود جذب کند. مقاومت در برابر حرارت تیتانیوم به معنای آن است که می‌تواند در موتورهای جت مدرن مورد استفاده قرار گیرد، جایی که دما می‌تواند به 800  درجه برسد. فولاد در حدود 400 درجه شروع به نرم شدن می‌کند اما تیتانیوم می‌تواند بدون از دست دادن قدرت مقاومت در برابر موتور جت حرارت شدید را تحمل کند.

تیتانیوم کجا بیشتر پیدا می‌شود؟

در حالت طبیعی تیتانیوم همیشه با عناصر دیگر پیوندیافته است، معمولاً درون سنگ‌های آذرین و رسوبات حاصل از آن‌ها وجود دارد. تیتانیوم اغلب با آلومینیوم، آهن، منگنز، مولیبدن و فلزات دیگر تشکیل آلیاژ می‌دهد. ایلمنیت همچنین در تهیه اکسید تیتانیوم که در صنایع رنگ‌سازی، کاغذسازی و پلاستیک به‌عنوان ماده رنگی، براق کردن سطح فلزات، لعاب، لاستیک‌سازی، شیشه، فایبرگلاس، سرامیک، الکتروسرامیک و . . . مصرف می‌شود، کاربرد دارد. تنها در حدود ۵ درصد تولید سالانه جهانی تیتانیوم صرف تولید فلز تیتانیوم شده و ۹۵ درصد باقی‌مانده در تولید ماده رنگ دی‌اکسید تیتانیوم مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این ماده دارای دو شکل آلوتروپی روتیل و آناتاز است که به‌واسطه رنگ سفید، ضریب شکست بالا (۴۹/۲–۹۰/۲)، درخشندگی عالی، بی‌اثر (خنثی بودن) و مقاومت سایشی و حرارتی بالای آن، درجه دیرگدازی بالا و توان زیاد در توزیع و انتشار یکنواخت در ترکیبات دیگر به‌عنوان عمده‌ترین ماده اولیه رنگ سفید در صنایع رنگ‌سازی، کاغذسازی، پلاستیک، لاستیک و… شناخته می‌شود.

چین و استرالیا و قطب بزرگ استخراج تیتانیوم

ایلمنیت در چین فراوان است درحالی‌که استرالیا بالاترین نسبت جهانی روتیل را دارد و حدود 40 درصد بیشتر در سواحل شرقی، غربی و جنوبی استرالیا یافت می‌شود. هر دو ماده به‌طورکلی از ماسه‌ها استخراج می‌شوند و پس‌ از آن تیتانیوم از سایر مواد معدنی جدا می‌شود. استرالیا یکی از تولیدکنندگان برتر تیتانیوم در جهان است که بیش از 1.5 میلیون تن در سال 2014 تولید داشته است. آفریقای جنوبی و چین دو تولیدکننده بعدی تیتانیوم هستند که به ترتیب 1.16 و 1 میلیون تن تولید می‌کنند.

منابع تیتانیوم در بین ده عنصر پرمصرف پوسته زمین‌، در حال حاضر مورد تهدید قرار نگرفته است و بسیاری از دانشمندان و مبتکران به‌طور مداوم به دنبال روش‌های جدید برای بهبود زندگی با تیتانیوم هستند.

انتهای پیام/4108/