Il Titanio
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IL TITANIO

Storia | Caratteristiche | Nanotecnologie | Nell'arte | Gioielli Tibow | Damasco

Breve storia del titanio

Una vista suggestiva del fiume Helford, lungo le cui rive William Gregor scoprì le rocce contenenti il titanio.

Il titanio è stato scoperto separatamente da due diversi ricercatori:

  • Il britannico William Gregor, che nel 1791 isolò un metallo sconosciuto dalle rocce di ilmenite della Cornovaglia, lo nominò "menacanite", dal nome del villaggio Manaccan, dove aveva raccolto i campioni di roccia.
  • Qualche mese più tardi, il tedesco Martin Heinrich Klaproth riscontrò lo stesso metallo nel minerale di rutilio e propose di chiamarlo "titanio", in omaggio ai Titani della mitologia greca, per le sue straordinarie caratteristiche di forza, resistenza e leggerezza.

William Gregor, 1761 - 1817.

Martin Heinrich Klaproth, 1743 - 1817.

Il nome di titanio fu accettato di buon grado da Gregor, che negli anni seguenti isolò il metallo anche in campioni di corindone tibetano e in tormaline della Cornovaglia.
Klaproth dal canto suo proseguiva la ricerca, che lo portò a essere il primo scienziato a isolare l'uranio e lo zirconio.

Un primo procedimento capace di produrre titanio puro in quantità significative fu messo a punto dal neozelandese Matthew Albert Hunter nel 1910 ma il suo metodo, basato su una reazione esplosiva di sodio e cloruri, era molto pericoloso e non produceva comunque quantità di titanio tali da rendere il metallo un prodotto facilmente commerciabile.

Il titanio rimase dunque un elemento da laboratorio fino al 1946, quando il lussemburghese Guillaume Justin Kroll sviluppò finalmente una procedura di estrazione del titanio, meno pericolosa grazie a reazioni con il magnesio, capace di produrre metallo in quantità industriali.

Matthew Albert Hunter, 1878-1961.

Guillaume Justin Kroll, 1889 - 1973.

Sono in seguito stati identificati altri sistemi, di tipo elettrolitico, per l' estrazione del titanio dai molti minerali che lo contengono; il più promettente è il metodo Armstrong. Tuttavia questo sistema, più efficiente, non produce un metallo puro a sufficienza per alcuni impieghi del titanio. Quindi ancora oggi il metodo più usato per l'estrazione del titanio è quello di Kroll (approfondimenti sulla produzione di titanio).

Nonostante il fatto che il titanio si sia rivelato un elemento molto diffuso nelle rocce terrestri (e anche in quelle lunari), i suoi procedimenti estrattivi rimangono molto costosi; infatti il prezzo del titanio è circa sei volte maggiore di quello dell'acciaio.

La prima industria che intraprese la produzione su larga scala del titanio con il metodo Kroll fu l'americana Du Pont, nel 1948. Da allora, per le sue particolarissime caratteristiche, il titanio e le sue leghe hanno conquistato sempre più importanza nella tecnologia e nella vita moderna, dal campo aerospaziale a quello chimico, da quello medico a quello artistico.

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Caratteristiche del titanio

Il titanio è un metallo davvero speciale, molto abbondante nella crosta terrestre, dove si colloca al quarto posto tra i metalli dopo l'alluminio, il ferro e il magnesio.

Fa parte del gruppo di elementi chimici noto come "metalli di transizione", assieme al ferro, allo zirconio, al manganese e altri 36 metalli.

I metalli di transizione nella tavola periodica degli elementi. Il lantano e l'attinio appartengono anche al gruppo delle terre rare.

Questi elementi sono accomunati da grande resistenza meccanica e dalla possibilità di formare ossidi e sali molto colorati, ma il titanio si distingue per le sue qualità di leggerezza, tenacità e resistenza alla corrosione.

Anche nel campo dei colori il titanio si distingue dagli altri metalli, perché alcuni suoi ossidi e sali sono particolarmente brillanti e stabili.
Questo fa sì che circa il 90% del titanio estratto sia utilizzato dall'uomo sotto forma di pigmenti colorati, tra i quali vale la pena di ricordare il biossido di titanio, meglio noto come "bianco di titanio", che ha ormai del tutto sostituito la tradizionale "biacca" (bianco di piombo) nell'industria dei coloranti e delle loro applicazioni.

Nel campo delle tinture la tollerabilità biologica del titanio e dei suoi composti gli ha procurato un posto preminente nell'industria tessile, in quella alimentare e nella fabbricazione dei cosmetici.

Vediamo un documentario d'epoca sugli albori della tecnologia dei pigmenti di titanio.

Il rimanente 10% per cento del titanio estratto viene sfruttato come metallo e leghe, che si avvalgono della sua resistenza meccanica e chimica.

E' grazie al titanio che l'industria aeronautica ha potuto trasformarsi in aerospaziale, e non solo per la robusta leggerezza del materiale.
Fondamentale per la costruzione delle navicelle e dei vettori è stata soprattutto la capacità del titanio di resistere ad alte temperature e alle fortissime aggressioni chimiche dei propellenti.

La navicella spaziale Apollo, che poté raggiungere la Luna grazie alle caratteristiche del titanio.

La completa resistenza del titanio alla corrosione, anche da parte di acqua salata e correnti galvaniche, offre oggi largo impiego al titanio e alle sue leghe in settori molto ampi, le costruzioni navali e di motori a turbina.

Per la sua altissima biocompatibilità il titanio ha permesso in medicina e chirurgia la realizzazione delle ormai note protesi interne, riducendo al minimo il pericolo di rigetto da parte dell'organismo.
Più recente e meno nota, rimanendo nel campo dell'igiene, la scoperta che le nano-molecole di biossido di titanio sono in grado di creare superfici autosterilizzanti sotto effetto dei raggi solari.

L'inattaccabilità del titanio e il suo non legarsi facilmente con altri elementi lo rendono altresì molto prezioso nella costruzione di strumenti da laboratorio e di catalizzatori.

La resistenza meccanica e le qualità estetiche hanno inserito il titanio anche tra i materiali utilizzati dall'architettura moderna, dal design industriale, dall'orologeria e dalla gioielleria.

In questi ultimi due settori ha ancora una volta molta rilevanza la biocompatibilità in quanto il titanio offre caratteristiche anallergiche paragonabili solo a quelle del platino.
A differenza di quel costosissimo e pesantissimo metallo, il titanio offre maggiore resistenza meccanica, la sua leggerezza e la possibilità di assumere stabilmente vari colori, tra i quali quello dell'oro.

Dal punto di vista fisico chimico, il titanio merita a buon titolo di essere iscritto fra i metalli nobili, in quanto la sua resistenza ad acidi, basi e altri composti aggressivi è seconda solo a quella del platino.

La sede del Teatro Nazionale Cinese a Pechino, realizzata in titanio e vetrotitanio.

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Il titanio, padre delle nano-tecnologie

Il titanio è infine protagonista dei nuovi sviluppi del progresso scientifico noti come nano-tecnologie.
E' infatti grazie al minimo spessore del suo ossido che l'uomo ha avuto accesso a quella scala di lavoro che si esprime in nanometri, ovvero in miliardesimi di metro.

In tempi molto recenti, il biossido di titanio in nano-molecole si è rivelato essere anche un potente agente antinquinamento, perché esposto alla luce del Sole sviluppa un processo catalitico capace di trasformare i principali agenti inquinanti (biossido d'azoto, benzene, monossido di carbonio, composti solforici, polveri sottili e altri) in piccole quantità di sali minerali innocui e già presenti in natura. Il primo impiego di questa caratteristica del titanio si è avuto nei filtri per la depurazione dell'acqua, ma oggi l'azione si è estesa anche nel campo della purificazione dell'aria.

Importanti Università hanno approfondito lo studio della capacità fotocatalitiche del titanio e industrie internazionali, tra le quali l'italiana Italcementi hanno allo studio la produzione di vernici e cementi a base di biossido di titanio che, sperimentati nelle aree urbane, si sono dimostrati capaci di ridurre gli inquinanti più pericolosi in percentuali variabili tra il 30 e il 70%, secondo il tipo di inquinante e le condizioni atmosferiche.

La ditta Wierer ha già posto in commercio tegole trattate con biossido di titanio che hanno dimostrato di poter ridurre del 90% la concentrazione dei depositi di inquinanti, secondo i test condotti dal Fraunhofer-Gesellschaft, importante istituzione europea nell’ambito della ricerca applicata.

La ditta italiana Suncover ha dal canto suo commercializzato uno spray a base di biossido di titanio per le proprie tende e zanzariere che le trasforma in potenti filtri antismog domestici.

Per approfondire l'argomento delle capacita purificatrici del titanio, si veda:
http://www.tecnologiaericerca.com

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Il titanio nell'Arte

Come si sa, solo due metalli sono di per sé colorati, l'oro e il rame; gli altri, una sessantina, hanno tonalità fra il grigio e il bianco. Ma a volte le loro superfici appaiono colorate, magari per l'interferenza della luce su patine o strati superficiali sottili. Si pensi ai colori iridescenti delle bolle di sapone o alle macchie d'olio sull'asfalto (Pietro Pedeferri).

Se le già accennate qualità anallergiche del titanio si sono mostrate preziose nel campo degli oggetti indossabili, mentre quelle di leggerezza e resistenza lo hanno portato all'attenzione dei maggiori architetti moderni, le qualità cromatiche hanno reso il titanio un materiale interessante anche per la pittura.

Il primo a esplorare queste proprietà del titanio è stato l'ingegnere italiano Pietro Pedeferri, direttore del Dipartimento di Chimica Fisica Applicata presso il Politecnico di Milano.

Pietro Pedeferri, 1938 - 2008 (photo courtesy of http://www.vaol.it/).

Pietro Pedeferri, "Apparenza di campo", titaniocromia (photo courtesy of http://www.valtellinarte.it/).

Pedeferri è stato tra i primi indagatori scientifici a occuparsi delle proprietà delle nanoparticelle di ossido di titanio, già dal 1967 quando ancora era studente.

La ricerca di Pedeferri sul titanio sin dall'inizio si sviluppò in due direzioni: da un lato la ricerca tecnologica, che lo portò a stabilire gli attuali protocolli anticorrosione per le armature del calcestruzzo, dall'altra lo studio e la sperimentazione delle possibilità pittoriche offerte dal titanio stesso.
Scrive Pietro Pedeferri:

Si può notare che il titanio, mentre trent’anni fa ci portava sulla luna, è stato infatti con capsula di titanio che si è raggiunto il nostro satellite, oggi ci sta spingendo nel mondo dei film sottili e quindi dei nanomateriali. Questo per quanto riguarda l’ingegneria.
Ma è evidente che questo materiale con i suoi colori, le sue apparenze, la sua luce non può non interessare anche il mondo dell’architettura e quello del design in tutte le sue declinazioni, dall’arredamento, ai prodotti, alla comunicazione visiva, alla moda: insomma il mondo del ‘made in Italy’.
D’altra parte, come scrive Consonni, la disponibilità di un materiale straordinario, che permette di ottenere ‘colori preziosi e forme non imitate ma fatte produrre dalla natura stessa in tutta la loro perentoria eleganza, non può che tradursi in una sfida al suo uso artistico’
.

La scienza di Pedeferri iniziò quindi a produrre oggetti d'arte, dalle prime lastrine che ornavano le pagine dei libriccini in tiratura limitata dell'editore Casiraghy o i gioielli dell'orafo James Rivière fino alle grandi lastre degli ultimi anni della sua vita.

Quest'arte, che Pedeferri battezzò "titaniocromia" ha il suo grande precursore in un'altro italiano, Leopoldo Nobili, che nel 1828 presentò all'Accademia di Francia i primi esperimenti di metallo colorato da lui senza ricorrere a smalti o vernici, solo creando superfici di ossidazione capaci di produrre colori d'interferenza.
Nobili chiamò la sua arte "metallocromia" e affermo' che: l' arte era ormai giunta al segno di prendere posto fra le altre.

Il galvanometro astatico inventato da Nobili. (photo courtesy of http://www.liceoariosto.it/).

Leopoldo Nobili, 1784 - 1835 (photo courtesy of Wikipedia).

Nobili definì le sue colorazioni "apparenze elettro-chimiche" e riuscì a produrre una scala di 44 tonalità diverse, pur senza ricorrere al titanio, che ai suoi tempi era stato appena scoperto. Si è potuto riscontrare che la disposizione e la generazione di queste tinte rispecchia l'ordine degli anelli di Newton, evidenziando quest'opera dell'uomo come perfettamente armonica alle leggi della Natura.

Scrisse Maria Corti recensendo un libro di Pedeferri:

I colori che assume il titanio sottoposto a ossidazione elettrochimica e ai riflessi della luce congiungono l'attimo all'eternità in quanto resistono agli agenti atmosferici e sono fissati oltre il tempo, cioè per sempre, come l'opera d'arte, si chiami Iliade o Odissea. ... quelle che Nobili chiamò "apparenze elettro-chimiche" ... è mirabile a dirsi, ma si tratta di un ordine che è della natura: si pensi all'arcobaleno, al colorarsi delle nuvole all'alba e al tramonto. L'ordine dei colori nella scala cromatica è un ordine della natura, donde l'inesistenza di una casualità di accostamento. È importante allora rendersi conto che i segni, siano colori o suoni (musicali e verbali) producono in natura effetti di armonia o di melodia, ... (da http://ricerca.repubblica.it).

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I gioielli in titanio di TiBow Design

TiBow Design, pendente per collana in titanio anodizzato e inciso.

TiBow Design, pendente per collana in titanio anodizzato.

La produzione di oggetti in titanio di TiBow Design si avvale della sintesi di tecniche della lavorazione artistica dei metalli con metodi propri delle arti grafiche e della pittura.

L'oggetto in titanio viene sagomato a mano con utensili come pinze, seghetti o trance. In alcuni casi, come nella lavorazione dal pieno di anelli in damasco di titanio, ci si avvale per la prima sbozzatura di una fresa cnc.

Il titanio viene poi lucidato e texturizzato per mezzo di carte abrasive, microfrese e paste lucidanti. Una volta ottenuto il "fondo" con la trama di riflessione desiderata, si passa alla decorazione pittorica.

Per produrre la formazione di ossido di vari spessori si procede con metodi simili all'acquaforte, applicando mascherature alla superficie e sottoponendola a immersioni successive in una soluzione elettrolitica alla quale si applicano via via differenti tensioni elettriche. Ulteriori lavorazioni e disegni implicano l'uso di bulini, microfrese e pennelli opportunamente modificati.

Il pennello per la titaniocromia non viene intinto in un colore. Le sue setole sono collegate internamente a un generatore di corrente continua a voltaggio variabile e servono a trasmettere quel voltaggio, con il colore corrispondente, a zone specifiche dell'oggetto, lasciando inalterate le precedenti ossidazioni sul rimanente del lavoro.

TiBow Design, Esempi di texturizzazione del titanio.

TiBow Design, Pennelli elettrificati per la colorazione locale del titanio.

Vediamo dunque come si formano i colori sulla superficie del titanio.

La colorazione dei nostri gioielli non si deve a vernici o smalti, ma alla formazione di un sottilissimo strato di ossido trasparente sulla superficie del titanio.

Contrariamente agli ossidi di altri metalli, che assumono in sé un pigmento particolare che riflette la luce di quel particolare colore assorbendo le altre, il titanio esposto all'aria produce immediatamente una patina molto sottile (3-4 miliardesimi di metro o nanometri) di ossido perfettamente trasparente.

Lo spessore di questo strato di ossido di titanio è tanto sottile da trovarsi nella gamma di misura delle frequenze luminose: un nanometro corrisponde infatti a 10 Angström. Così, per i fenomeni della rifrazione e dell'interferenza alcune bande cromatiche, a seconda dello spessore, risultano rafforzate e altre indebolite o "tagliate".

Per mezzo di trattamenti termici o elettrochimici, possiamo variare lo spessore della patina di ossido di titanio, e ottenere di conseguenza il colore desiderato.
Questi colori sono esattamente quelli che, in natura, possiamo osservare negli opali, sulle piume di taluni uccelli sulle ali delle farfalle e, naturalmente, nell'arcobaleno. Con la differenza che i colori del titanio sono molto, molto più duraturi e stabili.

Fig. 1 - Potenziale elettrico, spessori della pellicola d'ossido e colori relativi su titanio (image courtesy of http://www.enco-journal.com).

Fig. 2 - L'interferenza alla superficie del titanio ossidato (image courtesy of http://www.enco-journal.com).

Ecco la descrizione del fenomeno nelle parole di Pedeferri, autore delle due illustrazioni che vediamo:

Quando osserviamo una superficie di titanio ricoperta da una pellicola di ossido, il nostro occhio è raggiunto da due onde luminose sovrapposte: una riflessa dalla faccia superiore del film che è a contatto con l’atmosfera e l’altra dalla faccia inferiore che invece è a contatto con il metallo (Fig. 2).
La seconda onda luminosa effettua in più, rispetto alla prima, un doppio attraversamento dell’ossido. Se supponiamo che la superficie del titanio sia illuminata con luce monocromatica, quest’onda esce in fase con l’altra solo se tale percorso addizionale contiene un numero intero di lunghezze d’onda; in caso contrario risulta fuori fase oppure, addirittura, in opposizione di fase se il percorso contiene un numero dispari di mezze lunghezze d’onda.

Consideriamo i due casi estremi. Quando fra le due oscillazioni vi è una perfetta sincronia - a cresta corrisponde cresta, a valle corrisponde valle - le due onde sovrapponendosi si rafforzano. Quando invece le due oscillazioni sono in opposizione di fase, sommandosi si annullano.
Naturalmente nelle situazioni intermedie si potrà avere, a seconda dei casi, un’interferenza additiva o invece sottrattiva e quindi rafforzamento o invece affievolimento di certe bande di colori.

Di conseguenza, se illuminiamo la lastra ricoperta da un film di un certo spessore con luce bianca, che contiene tutti i colori, le due onde per un determinato colore, cioè per una certa lunghezza d’onda, arrivano al nostro occhio in concordanza di fase e quindi vi è un rafforzamento, mentre per un altro colore risultano in opposizione di fase e quindi vi è estinzione.
Per tutti gli altri colori si verifica una situazione intermedia e, a seconda dei casi, si ha un loro rafforzamento o un loro affievolimento.

Naturalmente al variare dello spessore del film variano sia i colori che si rafforzano sia quelli che si indeboliscono o addirittura si annullano, e pertanto varia la tinta che l’osservatore percepisce.

TiBow Design, pendente per collana in titanio anodizzato e inciso.

TiBow Design, pendente per collana in titanio anodizzato e inciso.

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Il damasco di titanio

Il damasco di titanio è un composto metallico che non è prezioso come l'oro, tuttavia lo possiamo considerare molto più raro dei metalli preziosi, in quanto pochissimi artigiani al Mondo padroneggiano questa difficilissima tecnologia. I quantitativi sono inoltre molto limitati dalle particolari modalità tecniche necessarie alla saldatura degli strati che lo compongono.

Il damasco di titanio viene creato saldando a forgia tra loro, in atmosfere e temperature controllate, lamine sovrapposte di differenti leghe di titanio. Dopo successive operazioni di piegatura, torsione, impressione e rispettive riforgiature, gli strati diversi vanno a formare disegni che apparterranno alla struttura intima dell'oggetto. Con opportuni trattamenti termici e lucidature, questi disegni verranno rivelati come striature di colore diverso sulla superficie dell'oggetto finito.
A differenza dei normali damaschi realizzati con acciai carboniosi o inossidabili, dove il disegno si rileva solo in sfumature dal bianco al nero, il damasco di titanio offre la completa varietà di tinte della titaniocromia.

Si stima che tutto l'oro estratto dagli albori dell'umanità ammonti a circa 121.000 tonnellate, e che l'estrazione proceda, con i mezzi industriali di oggi, al ritmo di circa 3000 tonnellate annue.

Il damasco di titanio, invece, sommando sia quello prodotto con il metodo americano denominato Timascus © che quello prodotto con il metodo italiano di Valter Fornasier, ammonta forse a qualche quintale. La ditta italiana, sulla quale abbiamo dati precisi, ne ha prodotto fino a oggi circa 50 Kg., includendo le billette sperimentali.

Dal momento che la lavorazione è effettuata dal pieno, bisogna calcolare che la maggior parte di questo materiale grezzo va perduta, e che di una billetta da due kg. solo qualche etto diviene prodotto di mercato.

Acquistando un gioiello in damasco di titanio presso TiBow Design venite dunque in possesso di un oggetto non soltanto unico nel suo aspetto, ma anche rarissimo nel materiale in cui è scolpito.

Valter Fornasier, Pendente per collana in titanio damasco.

Valter Fornasier/TiBow Design, Anello in titanio damasco.


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