Золото придаст титану твердости

Лучший материал для зубных имплантатов, протезов коленных и тазобедренных суставов — титан: он прочен, устойчив к механическому износу, химически инертен и нетоксичен. Однако даже самое лучшее решение можно улучшить. Физики из Университета Райса (США) совершенно случайно обнаружили, что еще более долговечные искусственные суставы можно будет изготавливать из сплава титана с золотом («Science Advances», 2016, 2, 7, e1600319, doi: 10.1126/sciadv.1600319).

Как объясняет автор открытия Эмилия Моросан, несмотря на то, что золото — мягкий металл, сплав титана с золотом в соотношении 3:1 с особенным расположением атомов в три-четыре раза тверже большинства марок стали и вчетверо тверже чистого титана.

Моросан — физик, область ее научных интересов — разработка и получение новых материалов с экзотическими электронными и магнитными свойствами. Эта работа была для нее необычной по целому ряду причин, прежде всего потому, что сплав золота с титаном такого состава был известен раньше и получить его не очень сложно. Известно было даже его строение — атомы титана и золота, упакованные в кубическую кристаллическую решетку, которая часто ассоциируется с твердостью. Остается непонятным, почему именно Моросан и ее коллеги впервые получили сверхчистый образец сплава золота с титаном и описали его уникальные свойства, прежде всего — твердость.

Случайное открытие было сделано в рамках работы Моросан над ее основным исследовательским проектом. Ранее она установила, что сплав двух материалов, не проявляющих магнитных свойств, — золота и титана, взятых в равном соотношении, — обладает магнитными свойствами. Продолжая эти исследования, Моросан получила сплав «титан-3-золото» и решила измельчить его до порошкообразного состояния, чтобы установить его степень чистоты и строение кристаллической решетки методом рентгеноструктурного анализа. На стадии измельчения стало ясно, что с Ti₃Au что-то не так. Материал упорно не поддавался даже ступке и пестику с алмазным покрытием. Изучение свойств Ti₃Au с помощью специальной аппаратуры показало, что этот сплав тверже чистого титана и многих других материалов.

Исключительной твердостью отличается не любой образец сплава Ti₃Au. В зависимости от способа получения атомы могут формировать разные типы кубической кристаллической решетки. Модификация сплава ά-Ti₃Au, образующаяся при относительно низких температурах, не ставит рекордов, ее твердость почти такая же, как у чистого титана. Не измельчается в алмазной ступке только сплав аналогичного состава, получаемый при высокой температуре, — модификация β-Ti₃Au. Возможно, исключительные механические свойства Ti₃Au до сих пор не были зафиксированы из-за того, что материаловеды измеряли твердость сплава, в котором основным компонентом был ά-Ti₃Au. Сплав β-Ti₃Au представляется перспективным для медицинских применений. Необходимые качества материала для протезирования — биосовместимость и стойкость к износу. Титан и золото сами по себе проявляют хорошую биосовместимость, того же можно ожидать и от β-Ti₃Au (не исключено, что он превзойдет по этому свойству чистый титан). Что касается устойчивости к износу, очевидно, что высокая твердость нового материала должна увеличить срок службы имплантатов и протезов.