是否有任何元素让人想起像钛一样的力量概念?以希腊神话神灵泰坦命名,周期表上的第22个元素出现在客机和曲棍球棒,身体穿孔和医疗设备甚至防晒霜中。 

钛耐腐蚀,特别坚固轻便。据洛斯阿拉莫斯国家实验室称,它与钢铁一样坚固,但重量仅为45%  。它的强度是铝的两倍,但重量只有60%。 

只是事实

  • 原子序数(原子核中的质子数):22
  • 原子符号(在元素周期表上):Ti
  • 原子量(原子的平均质量):47.867
  • 密度:每立方厘米4.5克
  • 室温下的相:固体
  • 熔点:3,034.4华氏度(1,668摄氏度)
  • 沸点:5,948.6 F(3,287 C)
  • 同位素数:18
  • 最常见的同位素:钛-46,钛-47,钛-48,钛-49和钛-50

超级英雄元素

钛有一个合适的起源故事:它是在超新星或坍缩的恒星深处锻造而成。2012年对一颗特殊垂死恒星Supernova 1987A进行的一项研究发现,单个超新星可以制造出100颗地球价值的钛-44,这是一种钛质放射性同位素。

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根据Chemicool的说法,钛是地壳中第九丰富的金属,但它直到1791年才被发现。英国业余地质学家威廉·格雷戈尔牧师在河床上发现了一些黑色的金属沙子,对其进行了分析并发现它是一个磁铁矿,一种常见形式的氧化铁和一种新金属的混合物。格雷戈尔把它称为manaccanite,用于他发现沙子的教区。

四年后,一位名叫Martin Heinrich Klaproth的德国科学家正在研究一种来自匈牙利的矿石,当时他意识到它含有一种前所未有的化学元素。他称之为钛,后来证实Gregor的manaccanite也含有钛。

根据英国皇家化学学会(RSC)的说法,第一个将钛提炼成纯净形式的人是通用电气的员工MA Hunter 。然而,直到20世纪30年代,William J. Kroll才发明了一种工艺,可以在工业规模上提取钛。所谓的Kroll工艺首先用氯处理氧化钛矿石,生成氯化钛。接下来,镁或钠与氯化钛在氩气中混合(考虑到钛对氧气具有高反应性,允许氧气进入程序会非常具有爆炸性。,根据RSC)。在2,192°F(1,200℃)的温度下,镁或钠将氯化钛还原为纯钛。根据RSC,这个过程的效率比用于制造铁的过程低约10,000倍,这有助于解释为什么钛是更昂贵的金属。

钛是一种过渡金属,意味着它可以利用来自一个以上壳体的电子或能级形成键。它与其他过渡金属共享此特征,包括金,铜和汞。

谁知道?

  • 据RSC称,几乎所有火成岩 - 由熔岩凝固形成的岩石 - 都含有钛。
  • 据该公司称,波音737梦想飞机由15%的钛制成。
  • 钛正在绕行星运行:根据美国国家航空航天局的说法,国际空间站(ISS)有许多钛部件,包括管道。Rosetta项目是一项旨在保护人类语言和思想的研究和存档项目,它还在国际空间站外飞行了一块蚀刻的纯钛,以了解它如何抵抗辐射和恶劣的太空环境。
  • 地球不是唯一找到钛的地方。2011年,月球表面的卫星地图显示出富含钛的岩石簇。这些岩石通常含有高达10%的钛,而地球岩石中常见的含量为1%左右。
  • 钛可用作3D打印的原材料。2013年,澳大利亚联邦科学与工业研究组织的研究人员为赛马3D打印了一对轻质钛马蹄铁。这双鞋是时尚的粉红色。

二氧化钛

二氧化钛(TiO 2),也称为氧化钛(IV)或二氧化钛,是天然存在的钛氧化物。白色颜料,二氧化钛用于涂料(如钛白或颜料白6)和防晒剂,因为它能够折射光线并吸收紫外线。 根据美国地质调查局,95%的钛矿开采成为二氧化钛颜料,其余5%用于制造化学品,金属,碳化物和涂料。 

二氧化钛也常用于医药,化妆品和牙膏中,并越来越多地用作食品添加剂(如E171),以使产品变白或使其看起来更不透明。一些添加了E171的更常见的食品包括糖霜,口香糖,棉花糖和补品。

二氧化钛在食品中的使用没有限制。然而,发表在Gut杂志上的一项关于小鼠的新研究  表明,二氧化钛颗粒可能对某些炎症性肠病患者的肠道造成非常大的伤害。

在瑞士苏黎世大学的研究人员发现,当肠细胞吸收的二氧化钛颗粒,即有结肠炎小鼠肠黏膜发炎变得和损坏,根据  研究新闻发布。

多年来,西方国家的炎症性肠病如克罗恩病和溃疡性结肠炎一直在上升。这些病症的特征在于对肠道菌群的极端自身免疫反应。有几个因素在疾病的发展中起作用,包括遗传和环境触发因素,如生活方式和营养。现在,瑞士研究人员发现,牙膏和许多食品中常见的二氧化钛纳米粒子可以在更大程度上加剧这种炎症反应。

此外,在溃疡性结肠炎患者的血液中可以发现更高浓度的二氧化钛颗粒。研究人员在新闻发布会上解释说,这意味着这些颗粒可以在某些疾病条件下从食物中吸收。

尽管尚未在人类中证实这一发现,但研究人员认为结肠炎患者应避免摄入二氧化钛颗粒。 

目前的研究

北卡罗来纳州立大学材料科学家Jay Narayan说,二氧化钛在技术领域具有令人眼花缭乱的功能,从太阳能电池应用到生物相容性传感器。

2012年,纳拉扬和他的同事报告了一种“调整”二氧化钛的方法,为特定应用定制二氧化钛。这种材料有两种结晶结构,称为“金红石”和“锐钛矿”,每种结构都有自己的特性和功能。通常,二氧化钛喜欢在932°F(500℃)以下的锐钛矿相中,并且在较热的温度下转变为金红石相。 

通过逐晶生长二氧化钛并将其排列在由三氧化钛制成的模板上,Narayan和他的同事们能够在室温下将材料的相设置为金红石或锐钛矿,他们  在2012 年6月的杂志中报告物理快报。在更大的飞跃中,研究人员能够将这种二氧化钛整合到计算机芯片中。 

“氧化钛也是一种非常好的传感器材料,因此,如果它与计算机芯片集成,那么它就像一个智能传感器,”Narayan告诉Live Science。由于传感器是芯片的一部分,因此与传感器分离并且必须硬连线到设备的计算部分相比,该设备可以更快速和有效地响应。 

Narayan表示,将产品推向市场将需要降低制造成本,但“可调”二氧化钛也有其他前景。通过用高功率激光脉冲切换材料,研究人员可以创建称为氧空位的小缺陷,其中材料缺少氧分子。然后该材料可用于通过窃取氧气并离开氢气来分解水(H2O),然后氢气可用于制造氢燃料。 

“这是一种廉价的能源 - 而且清洁,”Narayan说。新的制造和工程方法正在扩大钛的用途。海军研究办公室在2012年宣布,一种新的焊接方法将用于生产全尺寸船体; 根据海军的说法,这种建筑是一个突破,因为钛通常太昂贵而且难以制造造船。这种称为摩擦搅拌焊接的新方法使用旋转金属销将两块钛的边缘部分熔化在一起。

在医学中,钛植入物用于替代或稳定断骨。微小的钛植入物甚至用于改善某些类型耳聋患者的听力。在耳后的颅骨上钻一个螺旋状的钛棒,并连接到外部声音处理单元。外部装置拾取声音并通过钛植入物将振动传递到内耳,绕过中耳的任何问题。

2010年,研究人员宣布开发出“Tifoam”结构的饱和钛粉的聚氨酯泡沫。根据2013年 Acta Biomaterialia期刊中关于材料的研究,多孔结构模仿人体骨骼,并允许人体骨细胞穿透植入物并与人体愈合。

其他资源

  • 从托马斯杰斐逊国家加速器设施(杰斐逊实验室)了解更多钛事实。
  • 在美国地质调查局提供了大量统计数据和钛的信息。
  • 在皇家化学学会了解有关钛的更多信息。