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25 Marzo 2023
12:30

Dagli orologi di lusso all’industria aerospaziale: il titanio tra usi e caratteristiche

Dalle protesi agli orologi, dal cemento mangia smog agli aerei da ricognizione: una panoramica dei campi in cui questo elemento poco conosciuto può aiutarci.

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Dagli orologi di lusso all’industria aerospaziale: il titanio tra usi e caratteristiche
titanio usi

L'uso dei metalli ha accompagnato lo sviluppo dell'umanità, dando il nome ad intere epoche come l'età del bronzo o del ferro. Alcuni di questi sono stati scoperti e plasmati dall'uomo con relativa facilità, altri invece hanno saputo mantenere i loro segreti ed ancora oggi cedono a fatica allo sfruttamento dell'uomo. È questo il caso del titanio, uno dei metalli più importanti nella nostra società. Ma cosa lo rende così speciale? E quali sono le sue principali applicazioni?

Le caratteristiche del titanio

Il primo minerale contenente il titanio – l'ilmenite –  è stato identificato per la prima volta dal pastore anglicano William Gregor nel 1791: le caratteristiche del metallo ne rendevano però difficile l'estrazione, e solo nel 1910 si riuscì ad ottenere il metallo al 99% di purezza. L'elemento, di colore grigio, è in realtà abbastanza duttile e deformabile ma estremamente resistente alla corrosione e agli agenti chimici: questo avviene grazie alla formazione quasi istantanea e "auto-riparante" di uno strato di ossido (TiO2) in superficie, a contatto con umidità o acidi.

Il metallo puro ha un punto di fusione pari a 1600° C, una resistenza meccanica due volte maggiore dell'alluminio e una densità di 4,5 g/cm3, pari cioè al 45% in meno dell'acciaio.
Tra le sue leghe, molto usate sono quelle con percentuali di alluminio, stagno o vanadio, che migliorano le caratteristiche di durezza e resistenza agli sforzi, rendendolo un compromesso ideale per leggerezza e resistenza meccanica in molte applicazioni.

La fama "esotica" di questo metallo non dipende dalla sua rarità, anzi si tratta del 9° elemento più diffuso sulla crosta terrestre e di cui abbiamo un importante giacimento anche in Italia: è la difficoltà di ottenere il metallo puro dai suoi minerali a renderlo costoso.
Le leghe più usate risultano poi di difficile lavorazione, rendendole poco adatte alla creazione di oggetti comuni.

Gli utilizzi più comuni del titanio

Vediamo brevemente quali sono i campi di applicazione più comuni per il titanio. Come vedremo, trattandosi di un materiale dalle ottime proprietà tecniche trova impiego dall'orologeria al settore aerospaziale, passando anche per vernici e protesi.

Orologeria

La resistenza alla corrosione e a graffi e scalfiture, unita alla leggerezza, ha decretato il successo del metallo in applicazioni "di lusso" come l'orologeria: il primato spetta a Citizen, che nel 1970 dopo anni di studi produsse il primo orologio in titanio, l'X8 Titanium Chronometer.

Orologi in titanio

Protesi e impianti

In aggiunta, le ottime caratteristiche di bio-compatibilità del titanio lo rendono ottimo per diversi tipi di protesi o impianti: opportuni micro-pori sulla superficie possono favorire la crescita di tessuto osseo che porta all'effettiva "fusione" con lo scheletro del paziente.
L'assenza di fenomeni di rigetto sembra dovuta alla capacità dello strato di ossido di opporsi a campi elettrici (alta permittività dielettrica); ciò protegge le proteine, solitamente cariche elettricamente, da possibili variazioni della loro forma e da eventuali danni.

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Settore aerospaziale

Le sue caratteristiche di resistenza alle temperature estreme, leggerezza e resistenza meccanica, sono all'origine di un altro tipico utilizzo di questo materiale: la costruzione di parti estremamente sollecitate, come valvole e scarichi di motori ad alte prestazioni, sia in campo terrestre che aeronautico. Proprio a quest'ultima categoria appartiene il più singolare oggetto in titanio mai esistito, l'aereo da ricognizione statunitense Lockheed SR-71, che ne è composto addirittura per il 92%.

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Lockheed SR–71, un aereo da ricognizione in servizio dal 1966.

Nel pieno degli anni '60, lontani decenni dalle reti dei moderni satelliti-spia, gli USA necessitavano d'un aereo da ricognizione a lungo raggio, in grado di sfuggire a qualsiasi tentativo di intercettazione e abbattimento e di scorrazzare in territorio URSS.

Si decise di puntare sulla velocità, ma il calore generato dal semplice attrito dell'aria per lunghi tratti sarebbe risultato eccessivo per i materiali comunemente usati in aeronautica, che si dilatavano oltre misura perdendo resistenza. L'utilizzo del titanio, curiosamente contrabbandato proprio dall'URSS con l'aiuto di paesi neutrali e ai primi utilizzi in aeronautica, permise all'aereo di volare per lunghi tratti a 3500 km/h con una quota massima di 25 km, limitato non tanto dalle temperature della struttura (comunque superiori ai 300° C) quanto da quelle raggiunte dai motori, che rischiavano di scollarsi o ridursi in mille pezzi.

La titania

L'ultima applicazione non è strettamente legata al metallo, ma al suo ossido, la titania (TiO2): questo materiale ha caratteristiche, dovute alla sua natura di semi-conduttore e ai livelli energetici dei suoi elettroni, che lo rendono un ottimo catalizzatore quando colpito da raggi UV.

Edificio in cemento bianco, un materiale molto usato nell'architettura moderna
Gli edifici in cemento bianco potrebbero in futuro beneficiare di un effetto autopulente (StockSnap | Pixabay)

Uno serie di brevetti, a partire dal 1996, ne ha previsto l'aggiunta al cemento per distruggere lo smog e le molecole come gli NOx che si depositano sulla superficie grazie all'energia solare. La tecnologia è stata pensata soprattutto per ottenere facciate autopulenti, ma è in grado di abbattere gli inquinanti ripulendo l'aria circostante.

Purtroppo pero, l'uso di questi cementi stenta a decollare, tra costi comunque troppo alti, sospetti di cancerogenicità e risultati a volte deludenti, com'è purtroppo stato per la "chiesa del Giubileo" di Roma che, nonostante i materiali usati, dopo appena 20 anni ha visto degradare il suo candido bianco.

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