魔法の金属の科学を解明する

「ギリシャ神話に登場する巨人タイタンにちなんで名付けられたチタンは、地球上で最も強い金属です。おそらく人生のどこかでチタンのことを聞いたことがあるでしょう。今日の価格では高価ですが、それは希少金属ではありません。採掘と生産にコストがかかるだけです。

チタンで作られた人工関節やゴルフクラブ、潜水艦などはご存知かもしれませんが、白いケーキのフロスティングにもチタンが含まれていることをご存知ですか？ さて、この有名な頑丈な金属に関する興味深い話をご紹介します。

01この「神聖な」金属は、20世紀になるまで鍛造されませんでした。

1791 年には、英国のアマチュア鉱物学者で教会牧師のウィリアム・グレガーが、コーンウォールの町近くの小川で奇妙な黒い砂を発見しました。 この黒い砂の一部は磁性を持っており、グレゴールはそれを酸化鉄であると結論付けましたが、他の物質は謎でした。 もちろん、別の酸化物だったはずですが、当時の王立地質学会の教科書には載っていませんでした。
酸化チタン粉末

1795 年、ドイツの化学者マルティン ハインリヒ クラプロスはこの奇妙な酸化物を再発見し、オリンピック以前のギリシャ神話の神々にちなんで酸化チタンと名付けました。 純チタンは 18 世紀末に発見されましたが、米国ゼネラル・エレクトリック社の化学者マシュー・ハントが純チタンをその酸化物から単離することができたのは 1910 年になってからでした。密封された「爆弾」の中で高温高圧下で酸化物から銀色の金属を剥ぎ取ります。

02 地球上で最も軽くて強い金属です。

純チタンは、地球上の金属の中で最も高い強度対重量比を持っています。 鋼と同等の強度を持ちながら、45%も軽量です。
チタン製治具

この驚異的な強度対重量比により、チタンおよびチタン合金 (チタンと他の金属の混合物) は、飛行機のエンジンや胴体、ロケット、ミサイル、さらには宇宙船にも選ばれる材料となっています。 現代の産業では、金属部品なしでは機能しないあらゆる機器に、可能な限り丈夫で軽量な材料を供給する必要があります。
チタン製エンジンブレード

たとえば、世界最大の旅客機であるエアバス A380 の胴体には最大 77 トンのチタンが含まれています。 そのほとんどは巨大なエンジンにあります。 ノックス法と呼ばれる 1930 年代の革新的な冶金技術のおかげで、1940 年代から 1950 年代にチタンの商業鍛造が始まりました。 最初は軍用機や潜水艦 (主に米国とロシア) で使用され、その後 1960 年代には民間航空機でも使用されました。

03 チタンは腐食に強い

腐食は、ほとんどの金属を時間をかけてゆっくりと破壊する電気化学プロセスです。 金属が空気中または水中で酸素にさらされると、酸素は電子を捕らえ、金属の「酸化物」と呼ばれるものを生成します。 一般的な腐食性酸化物の 1 つは酸化鉄、つまり錆です。

しかし、すべての酸化物が下地の金属を腐食するわけではありません。 たとえば、チタンは二酸化チタン (TiO2) の薄層で覆われており、実際には、その下のチタンを電気腐食、微生物腐食、応力腐食などのあらゆるタイプの腐食から保護します。
チタンの自然な耐食性は、航空機だけでなく、腐食性の高い海水にさらされる海底部品にも理想的な素材です。 船のプロペラはほぼチタンで作られており、船の内部バラストや配管システム、海水にさらされる船内のハードウェアも同様です。

04 チタンは頭から足の先まで、体のあらゆる部分に埋め込むことができます。

チタンを腐食から保護する二酸化チタンの薄い層により、人体への埋め込みも安全になります。 チタンは完全に「生体適合性」があり、毒性がなく、アレルギーや拒絶反応を引き起こさず、人間の組織や骨と融合することもできます。
チタン頭蓋プレート

チタンは、骨や関節のインプラント、頭蓋骨プレート、歯科インプラントの根元、義眼やイヤリング、心臓弁、脊椎固定術、さらには尿道狭窄などにも優れた外科用材料です。 研究によると、チタンインプラントは体の免疫システムを刺激して、チタンの表面に骨を直接成長させ、これはオッセオインテグレーションとして知られるプロセスであることが示されています。
チタン股関節

チタンは、比類のない強度対重量比により人間のインプラントを軽量化し、また人間の骨と同じ弾力性を備えているため、人工股関節置換術や骨折ピンに使用されています。

05 スポーツ用品におけるチタンの役割

20 世紀後半に純チタンの価格が下落すると、メーカーはこの驚異の金属の商業用途を模索し始めました。 チタンは軽量で強度が高いため、スポーツ用品の製造に最適でした。