Nuova lega titanio-oro 4 volte più resistente del titanio

Il titanio è il materiale principale per la realizzazione di impianti protesici destinati alle articolazioni dell'anca e del ginocchio per via della sua robustezza, resistenza all'usura e atossicità. Tuttavia, un team di fisici della Rice University è riuscito ad aumentare considerevolmente la durezza del titanio aggiungendo dell’oro.

Immagine 1 - la struttura cristallina della lega metallica beta-Ti3Au (in blu gli atomi di titanio, in rosso quelli d'oro) - Credit: E. Morosan/Rice University

Le eccezionali caratteristiche di durezza del composto

«Il materiale che abbiamo ottenuto ha una durezza 3 - 4 volte più elevata della maggior parte degli acciai» scrive Emilia Morosan, ricercatore che ha coordinato il nuovo studio pubblicato sulla rivista Science Advances.

L’elevato livello di durezza della miscela di titanio e oro deriva da una specifica struttura atomica. «È quattro volte più duro del titanio puro, che è il materiale attualmente utilizzato nella maggior parte degli impianti dentali e delle protesi articolari».

Emilia Morosan, fisico specializzato nella progettazione e nella sintesi di composti con proprietà magnetiche ed elettroniche esotiche, scrive «Questo composto non è difficile da realizzare e non si tratta di un nuovo materiale».

In effetti, gli atomi sono legati insieme in una struttura cristallina "cubica" (vedi Immagine 1), forma spesso associata con la durezza, caratteristica già nota ai ricercatori. Non è nemmeno chiaro se Morosan ed Eteri Svanidze (coautore dello studio), siano stati i primi ricercatori a realizzare un campione puro della forma "beta" del composto. Ciononostante grazie a un paio di colpi di fortuna il team Morosan è stato il primo a documentare le notevoli proprietà del materiale.

Origini dello studio sul materiale

«Questo studio è partito dal nucleo centrale della mia ricerca» scrive Emilia Morosan, professore di fisica e astronomia, chimica, scienza dei materiali e nanoingegneria presso la Rice University. «Non molto tempo fa publicammo uno studio relativo a una lega titanio-oro con un rapporto di 1 a 1, tale composto era un materiale magnetico costituito da elementi non magnetici. Una delle cose che facciamo quando realizziamo un nuovo composto è quella di cercare di ridurre in polvere il materiale per effettuare analisi tramite i raggi X. Questo ci aiuta ad identificare la composizione, la purezza, la struttura cristallina e altre proprietà strutturali».

Immagine - 2 - Eteri Svanidze (a sinistra) ed Emilia Morosan. Credit: Jeff Fitlow/Rice University

Frantumare il nuovo composto titanio-oro, un'operazione impossibile?

«Nel momento in cui abbiamo provato a ridurre in polvere il composto titanio-oro abbiamo constatato che non era un’operazione possibile» scrive Morosan. «Abbiamo tentato nuovamente utilizzando un mortaio e un pestello rivestiti di polvere di diamante e anche in questo caso non siamo riusciti a frantumare il composto».

Morosan e Svanidze hanno quindi deciso di effettuare il test per determinare esattamente la durezza del composto, e già che c'erano, hanno misurato la durezza degli altri composti titanio-oro utilizzati nel precedente studio.

I ricercatori hanno scoperto quindi che uno dei composti era una miscela formata da tre (3) parti di titanio e una (1) parte di oro, il composto era stato realizzato portando la miscela ad alta temperatura.

Due strutture cristalline del composto Ti3Au, alfa e beta

I ricercatori hanno quindi compreso che portando tale composto Ti3Au (3 parti di titanio 1 parte di oro) ad alta temperatura si viene a creare una forma pressoché pura della versione beta della lega, la struttura cristallina quattro (4) volte più dura del titanio. A bassa temperatura, gli atomi tendono a organizzarsi in un’altra struttura cubica, la forma alfa del composto Ti3Au.

La struttura alfa ha una durezza quasi paragonabile a quella del titanio. Si è quindi scoperto che i campioni analizzati precedentemente in laboratorio erano costituiti per la maggior parte dalla forma alfa del composto.

I ricercatori hanno effettuato le analisi di durezza della forma beta del composto insieme ai colleghi del Turbomachinery lab dell’Università del Texas A&M e del National High Magnetic Field Laboratory dell’Università della Florida. Durante questo tipo di analisi Morosan e Svanidze hanno effettuato anche ulteriori analisi comparative con il titanio.

Il composto Ti3Au ha una biocompatibilità superiore al titanio puro?

Per le protesi biomediche, ad esempio, sono fondamentali due caratteristiche: la biocompatibilità e la resistenza all'usura. Considerato che titanio e oro vengono spesso utilizzati singolarmente nelle protesi mediche poiché sono tra i metalli maggiormente biocompatibili, i ricercatori ritengono che il composto Ti3Au possa essere anch’esso utilizzato per realizzare protesi.

Le prime analisi effettuate dai ricercatori dell’Anderson Cancer Center presso l’Università del Texas MD di Houston sulla lega hanno inoltre evidenziato un livello superiore di biocompatibilità rispetto al titanio puro.

Anche per quanto riguarda la resistenza all'usura il Ti3Au ha superato il titanio puro.

Scenari

Emilia Morosan ha dichiarato di non aver intenzione di diventare uno scienziato dei materiali o di trasformare radicalmente le ricerche condotte nel suo laboratorio, ma ha affermato che il suo gruppo sta pianificando di effettuare ulteriori test per analizzare ulteriormente la struttura cristallina della forma beta Ti3Au. L’intenzione è di capire se attraverso l’utilizzo di sostanze chimiche droganti sia possibile migliorare ulteriormente la durezza del composto titanio oro.