Titan: 95% titan đào lên không thành kim loại mà thành bột trắng

Titan đioxit: bột trắng trong sơn và kem đánh răng

Khoảng 95% lượng titan tinh luyện kết thúc ở dạng titan đioxit, một loại bột trắng. Tinh luyện nghĩa là đã xử lý cho sạch tạp chất. Mỗi năm thế giới dùng chừng 4 triệu tấn bột này. Chỗ nào cần màu trắng đục thì gần như chắc chắn có mặt titan đioxit: sơn tường, vỏ nhựa, giấy in, kem đánh răng, vỏ thuốc.

Titan đioxit chắn ánh sáng cực tốt nên có mặt trong hầu hết kem chống nắng. Bột này vừa chắn ánh sáng nhìn thấy vừa hút tia cực tím, khác với các chất chống nắng làm việc bằng phản ứng hoá học.

Từ ngày 14/1/2022, Liên minh châu Âu cấm dùng titan đioxit làm phụ gia thực phẩm. Cơ quan an toàn thực phẩm của khối này kết luận rằng chưa loại trừ được khả năng gây tổn thương gen. Lệnh cấm chỉ áp dụng cho thực phẩm, còn kem chống nắng và mỹ phẩm chứa titan đioxit vẫn được phép. Anh, Canada và Mỹ xem lại cùng bộ bằng chứng rồi quyết định không cấm trong thực phẩm.

Vì sao titan không gỉ

Titan hoạt động hoá học khá mạnh, nhưng trong thực tế lại gần như không gỉ. Cơ chế giống hệt nhôm. Vừa chạm không khí, bề mặt mọc ngay một lớp oxit mỏng, kín, trong suốt, chắn kim loại bên dưới khỏi mọi thứ còn lại.

Lớp áo ấy ban đầu chỉ dày 1–2 nanomet, mỏng hơn sợi tóc vài chục nghìn lần, rồi dày dần lên chừng 25 nanomet sau 4 năm. Nhờ lớp oxit đó, titan chịu được nước biển và cả môi trường bên trong cơ thể người.

Nhờ vậy người ta dám lấy titan ốp cả một toà nhà. Đồng và chì cũng ốp được, nhưng hai kim loại này mòn dần ra chất độc. Bảo tàng Guggenheim Bilbao mở cửa năm 1997, phủ 33.000 tấm titan xếp như vảy cá. Mỗi tấm cán mỏng chỉ 0,4 mm, cộng lại chừng 60 tấn.

Xương mọc bám thẳng vào kim loại

Năm 1952, bác sĩ Thuỵ Điển Per-Ingvar Brånemark cấy một buồng titan nhỏ vào xương thỏ để xem máu chảy trong xương. Xong thí nghiệm, ông không gỡ được buồng cấy ra vì xương đã mọc bám chặt vào kim loại.

Brånemark gọi hiện tượng đó là tích hợp xương. Năm 1965, ông đặt chiếc implant nha khoa (trụ titan cấy vào xương hàm) đầu tiên lên một người, bệnh nhân tên Gösta Larsson. Larsson sống thêm tới năm 2005, và bộ implant ban đầu vẫn còn hoạt động sau 40 năm.

Giới y khoa mất gần 30 năm mới chịu tin. Brånemark từng bị chế giễu ngay tại hội nghị và từng bị cắt kinh phí nghiên cứu. Mãi tới một hội nghị ở Toronto năm 1983 thì cộng đồng khoa học mới chấp nhận.

Hôm nay implant răng và khớp háng bằng titan là chuyện thường. Một phần vì titan có độ cứng gần với xương hơn thép, nên lực dồn lên xương thật đều hơn.

Máy bay nhanh nhất, làm từ titan của đối thủ

Titan nặng hơn nhôm nhưng bền hơn nhiều. So với cân nặng thì titan bền nhất trong mọi kim loại nguyên chất. Vì thế khoảng 2/3 lượng titan kim loại làm ra đi vào khung và động cơ máy bay. Một chiếc Boeing 787 ngốn chừng 116 tấn nguyên liệu titan thô.

Chiếc SR-71 Blackbird là ví dụ đi xa nhất, với 85% cấu trúc làm bằng titan. Bay nhanh gấp 3 lần âm thanh, vỏ máy bay nóng tới hàng trăm độ, đủ làm nhôm hàng không mềm đi và mất độ bền dù chưa chảy.

Những năm 1960, Mỹ chưa luyện đủ titan cho dự án, trong khi Liên Xô luyện nhiều hơn hẳn. CIA bèn lập các công ty bình phong để mua titan do chính Liên Xô sản xuất. Liên Xô không biết số kim loại đó đang đi vào chiếc máy bay chụp ảnh lãnh thổ của chính mình.

Quy trình Kroll khiến titan đắt

Titan là nguyên tố phổ biến thứ 9 trong vỏ Trái Đất, nhiều hơn hẳn đồng hay kẽm. Vậy mà titan kim loại đắt gấp khoảng 6 lần thép không gỉ. Quặng không đắt. Đắt là ở đoạn biến quặng thành kim loại.

Luyện sắt chỉ cần nung quặng với than, để carbon giật oxy ra khỏi sắt. Làm vậy với titan thì hỏng, vì titan phản ứng luôn với carbon thành một hợp chất cứng đờ chứ không cho ra kim loại. Cách duy nhất đang dùng ở quy mô công nghiệp là quy trình Kroll, hoàn thiện năm 1940.

Quy trình ấy đi 4 chặng. Nung quặng với carbon trong dòng khí clo để ra một chất lỏng (titan tetraclorua), rồi chưng cất nhiều lần cho sạch.

Dùng magie nóng chảy tách titan ra thành một khối xốp, gọi là titan xốp. Rồi nghiền, ép và nấu lại nhiều lần trong lò chân không mới thành phôi dùng được. Toàn bộ làm theo từng mẻ, không chạy liên tục như lò cao luyện thép.

William Gregor tìm ra titan trong cát đen năm 1791. Klaproth đặt tên theo các Titan trong thần thoại Hy Lạp năm 1795. Nhưng phải tới năm 1910 mới có người tách được kim loại tinh khiết. Quy trình Kroll ra đời năm 1940 và tới giờ vẫn chưa ai thay nổi, nên titan vẫn đắt.

5 điều cần nhớ về titan

1. 1 95% titan tinh luyện của thế giới thành bột trắng titan đioxit, không thành kim loại.
2. 2 Titan không gỉ nhờ lớp oxit mỏng tự mọc và tự vá, đúng mẹo của nhôm.
3. 3 Xương người liên kết thẳng với bề mặt titan, nên implant răng và khớp háng dùng kim loại này.
4. 4 Titan chiếm 85% cấu trúc máy bay do thám SR-71, và Mỹ từng mua titan của Liên Xô qua công ty bình phong.
5. 5 Titan phổ biến thứ 9 trong vỏ Trái Đất nhưng đắt gấp khoảng 6 lần thép không gỉ.

Khối lượng nguyên tử theo CIAAW/IUPAC 2021; các giá trị còn lại từ PubChem (NCBI/NIH). Tỉ lệ 95% titan thành titan đioxit có ở cả Royal Society of Chemistry lẫn các trang tổng hợp dẫn nguồn gốc. Lớp oxit tự bảo vệ, tỉ số độ bền trên khối lượng, quy trình Kroll và chuyện Gregor cùng Klaproth cũng theo hai nguồn đó. Lệnh cấm titan đioxit trong thực phẩm theo Quy định EU 2022/63, dựa trên kết luận năm 2021 của Cơ quan An toàn Thực phẩm châu Âu. Chuyện Brånemark và tích hợp xương, tỉ lệ titan trong SR-71 cùng việc mua titan qua công ty bình phong theo các trang tổng hợp dẫn báo cáo CIA đã giải mật và hồi ký Skunk Works. Số liệu lớp vỏ Guggenheim Bilbao theo nguồn tổng hợp về công trình này. Bài không nêu tỉ lệ phần trăm titan trong vỏ Trái Đất vì hai nguồn dùng hai đơn vị khác nhau. Đối chiếu lại lần cuối 11/09/2026.