Nature.com-এ আসার জন্য আপনাকে ধন্যবাদ। আপনি যে ব্রাউজার সংস্করণটি ব্যবহার করছেন তাতে CSS-এর সমর্থন সীমিত। সর্বোত্তম অভিজ্ঞতার জন্য, আমরা আপনাকে একটি হালনাগাদ ব্রাউজার ব্যবহার করার পরামর্শ দিচ্ছি (অথবা ইন্টারনেট এক্সপ্লোরারে কম্প্যাটিবিলিটি মোড নিষ্ক্রিয় করুন)। আপাতত, নিরবচ্ছিন্ন সমর্থন নিশ্চিত করার জন্য, আমরা স্টাইল এবং জাভাস্ক্রিপ্ট ছাড়াই সাইটটি রেন্ডার করব।
দীর্ঘস্থায়ী সংক্রমণের বিকাশে বায়োফিল্ম একটি গুরুত্বপূর্ণ উপাদান, বিশেষ করে চিকিৎসা যন্ত্রপাতির ক্ষেত্রে। এই সমস্যাটি চিকিৎসা জগতের জন্য একটি বিশাল চ্যালেঞ্জ, কারণ প্রচলিত অ্যান্টিবায়োটিকগুলো বায়োফিল্মকে খুব সীমিত পরিমাণে ধ্বংস করতে পারে। বায়োফিল্ম গঠন প্রতিরোধের ফলে বিভিন্ন কোটিং পদ্ধতি এবং নতুন উপাদানের বিকাশ ঘটেছে। এই কৌশলগুলোর লক্ষ্য হলো পৃষ্ঠতলকে এমনভাবে প্রলেপ দেওয়া যাতে বায়োফিল্ম গঠন প্রতিরোধ করা যায়। ভিট্রিয়াস ধাতব সংকর, বিশেষ করে যেগুলোতে তামা এবং টাইটানিয়াম ধাতু থাকে, সেগুলো আদর্শ জীবাণুনাশক কোটিং হিসেবে আবির্ভূত হয়েছে। একই সাথে, কোল্ড স্প্রে প্রযুক্তির ব্যবহার বৃদ্ধি পেয়েছে, কারণ এটি তাপমাত্রা-সংবেদনশীল উপাদান প্রক্রিয়াকরণের জন্য একটি উপযুক্ত পদ্ধতি। এই গবেষণার অন্যতম লক্ষ্য ছিল মেকানিক্যাল অ্যালয়িং কৌশল ব্যবহার করে Cu-Zr-Ni ট্রাইনারি দ্বারা গঠিত একটি নতুন অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল ফিল্ম মেটালিক গ্লাস তৈরি করা। চূড়ান্ত পণ্যটি যে গোলাকার পাউডার দিয়ে তৈরি, তা কম তাপমাত্রায় স্টেইনলেস স্টিলের পৃষ্ঠতলে কোল্ড স্প্রে করার জন্য কাঁচামাল হিসেবে ব্যবহৃত হয়। মেটাল গ্লাস কোটিংযুক্ত পৃষ্ঠতলগুলো স্টেইনলেস স্টিলের তুলনায় বায়োফিল্ম গঠন অন্তত ১ লগ পর্যন্ত উল্লেখযোগ্যভাবে কমাতে সক্ষম হয়েছে।
মানব ইতিহাস জুড়ে, যেকোনো সমাজ তার নির্দিষ্ট চাহিদা মেটাতে নতুন উপকরণের বিকাশ ও প্রচলন করতে সক্ষম হয়েছে, যার ফলে বিশ্বায়িত অর্থনীতিতে উৎপাদনশীলতা বৃদ্ধি পেয়েছে এবং মর্যাদা বেড়েছে¹। এক দেশ বা অঞ্চল থেকে অন্য দেশে স্বাস্থ্য, শিক্ষা, শিল্প, অর্থনীতি, সংস্কৃতি এবং অন্যান্য ক্ষেত্রে সাফল্য অর্জনের পেছনে উপকরণ ও উৎপাদন সরঞ্জাম ডিজাইন করার, সেইসাথে উপকরণ তৈরি ও তার বৈশিষ্ট্য নির্ধারণের মানবিক ক্ষমতাকেই সর্বদা কৃতিত্ব দেওয়া হয়েছে। দেশ বা অঞ্চল নির্বিশেষে অগ্রগতি পরিমাপ করা হয়²। বিগত ৬০ বছর ধরে, পদার্থ বিজ্ঞানীরা একটি প্রধান কাজে প্রচুর সময় ব্যয় করেছেন: নতুন এবং উন্নত উপকরণের অনুসন্ধান। সাম্প্রতিক গবেষণা বিদ্যমান উপকরণের গুণমান ও কার্যকারিতা উন্নত করার পাশাপাশি সম্পূর্ণ নতুন ধরনের উপকরণ সংশ্লেষণ ও উদ্ভাবনের উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করেছে।
সংকর উপাদানের সংযোজন, উপাদানের অণুসজ্জার পরিবর্তন এবং তাপীয়, যান্ত্রিক বা তাপযান্ত্রিক প্রক্রিয়াকরণ পদ্ধতির প্রয়োগ বিভিন্ন উপাদানের যান্ত্রিক, রাসায়নিক এবং ভৌত বৈশিষ্ট্যের উল্লেখযোগ্য উন্নতি ঘটিয়েছে। এছাড়াও, এখন পর্যন্ত অজানা যৌগ সফলভাবে সংশ্লেষিত হয়েছে। এই নিরন্তর প্রচেষ্টাগুলো উদ্ভাবনী উপাদানের একটি নতুন পরিবারের জন্ম দিয়েছে, যা সম্মিলিতভাবে উন্নত উপাদান (Advanced Materials) নামে পরিচিত। ন্যানোক্রিস্টাল, ন্যানোপার্টিকেল, ন্যানোটিউব, কোয়ান্টাম ডট, শূন্য-মাত্রিক, অনিয়তাকার ধাতব কাচ এবং উচ্চ-এনট্রপি সংকর ধাতু হলো উন্নত উপাদানের কয়েকটি উদাহরণ যা গত শতাব্দীর মধ্যভাগ থেকে বিশ্বে আবির্ভূত হয়েছে। উন্নত বৈশিষ্ট্যসম্পন্ন নতুন সংকর ধাতুর উৎপাদন ও বিকাশে, চূড়ান্ত পণ্য এবং এর উৎপাদনের মধ্যবর্তী উভয় পর্যায়েই, প্রায়শই ভারসাম্যহীনতার সমস্যা যুক্ত হয়। নতুন উৎপাদন কৌশলের প্রবর্তনের ফলে, যা সাম্যাবস্থা থেকে উল্লেখযোগ্য বিচ্যুতির সুযোগ দেয়, ধাতব কাচ নামে পরিচিত এক সম্পূর্ণ নতুন শ্রেণীর অস্থিতিশীল সংকর ধাতু আবিষ্কৃত হয়েছে।
১৯৬০ সালে ক্যালটেকে তাঁর কাজ ধাতব সংকর সম্পর্কে ধারণায় বৈপ্লবিক পরিবর্তন এনেছিল, যখন তিনি প্রতি সেকেন্ডে প্রায় দশ লক্ষ ডিগ্রি তাপমাত্রায় তরলকে দ্রুত কঠিন করে Au-25 at.% Si কাঁচসদৃশ সংকর সংশ্লেষণ করেন। অধ্যাপক পল ডুভেসের এই আবিষ্কার কেবল ধাতব কাঁচের (MS) ইতিহাসের সূচনাই করেনি, বরং ধাতব সংকর সম্পর্কে মানুষের চিন্তাভাবনায় একটি আমূল পরিবর্তনও এনেছিল। MS সংকর সংশ্লেষণের প্রথম অগ্রণী গবেষণা থেকে শুরু করে, প্রায় সমস্ত ধাতব কাঁচ নিম্নলিখিত পদ্ধতিগুলির মধ্যে একটি ব্যবহার করে সম্পূর্ণরূপে তৈরি করা হয়েছে: (i) গলিত বা বাষ্পের দ্রুত কঠিনীকরণ, (ii) পারমাণবিক জালকের বিশৃঙ্খলা, (iii) বিশুদ্ধ ধাতব মৌলগুলির মধ্যে কঠিন-অবস্থায় অস্ফটিকীকরণ বিক্রিয়া এবং (iv) অস্থিতিশীল দশাগুলির কঠিন দশায় রূপান্তর।
মেটালিক গ্লাস (MG) ক্রিস্টালের সাথে যুক্ত দীর্ঘ-পরিসরের পারমাণবিক শৃঙ্খলার অনুপস্থিতি দ্বারা পৃথক করা হয়, যা ক্রিস্টালের একটি সংজ্ঞায়িত বৈশিষ্ট্য। আধুনিক বিশ্বে, মেটালিক গ্লাসের ক্ষেত্রে ব্যাপক অগ্রগতি সাধিত হয়েছে। এগুলি আকর্ষণীয় বৈশিষ্ট্যসম্পন্ন নতুন উপাদান যা কেবল কঠিন অবস্থা পদার্থবিজ্ঞানের জন্যই নয়, বরং ধাতুবিদ্যা, পৃষ্ঠ রসায়ন, প্রযুক্তি, জীববিজ্ঞান এবং আরও অনেক ক্ষেত্রের জন্যও আগ্রহের বিষয়। এই নতুন ধরণের উপাদানের বৈশিষ্ট্যগুলি কঠিন ধাতু থেকে ভিন্ন, যা এটিকে বিভিন্ন ক্ষেত্রে প্রযুক্তিগত প্রয়োগের জন্য একটি আকর্ষণীয় প্রার্থী করে তোলে। এদের কিছু গুরুত্বপূর্ণ বৈশিষ্ট্য রয়েছে: (i) উচ্চ যান্ত্রিক নমনীয়তা এবং ফলন শক্তি, (ii) উচ্চ চৌম্বকীয় প্রবেশ্যতা, (iii) নিম্ন বলপ্রয়োগ ক্ষমতা, (iv) অস্বাভাবিক ক্ষয় প্রতিরোধ ক্ষমতা, (v) তাপমাত্রা নিরপেক্ষতা। পরিবাহিতা ৬.৭।
মেকানিক্যাল অ্যালয়িং (MA)¹⁸ একটি অপেক্ষাকৃত নতুন পদ্ধতি, যা প্রথম ১৯৮৩ সালে অধ্যাপক কে. কে. কোক এবং তাঁর সহকর্মীরা প্রবর্তন করেন। তাঁরা ঘরের তাপমাত্রার খুব কাছাকাছি পরিবেষ্টিত তাপমাত্রায় বিশুদ্ধ মৌলসমূহের একটি মিশ্রণকে পিষে অনিয়তাকার Ni₆₀Nb₄₀ পাউডার তৈরি করেছিলেন। সাধারণত, MA বিক্রিয়াটি একটি বল মিলে বিক্রিয়ক পাউডারগুলির ডিফিউশন বন্ডিংয়ের মাধ্যমে সম্পন্ন করা হয়, যা সাধারণত স্টেইনলেস স্টিল দিয়ে তৈরি একটি রিয়্যাক্টরে থাকে।¹⁰ (চিত্র ১ক, খ)। তখন থেকে, এই যান্ত্রিকভাবে প্ররোচিত কঠিন অবস্থার বিক্রিয়া পদ্ধতিটি কম (চিত্র ১গ) এবং উচ্চ শক্তির বল মিল ও রড মিল¹¹,¹²,¹³,¹⁴,¹⁵,¹⁶ ব্যবহার করে নতুন অনিয়তাকার/ধাতব কাচ সংকর পাউডার প্রস্তুত করতে ব্যবহৃত হয়ে আসছে। বিশেষত, এই পদ্ধতিটি Cu-Ta¹⁷-এর মতো অমিশ্রণীয় সিস্টেমের পাশাপাশি Al-ট্রানজিশন মেটাল (TM, Zr, Hf, Nb এবং Ta)¹⁸,¹⁹ এবং Fe-W²⁰ সিস্টেমের মতো উচ্চ গলনাঙ্কের সংকর ধাতু প্রস্তুত করতে ব্যবহৃত হয়েছে। যা প্রচলিত রান্নার পদ্ধতি ব্যবহার করে পাওয়া যায় না। এছাড়াও, MA-কে মেটাল অক্সাইড, কার্বাইড, নাইট্রাইড, হাইড্রাইড, কার্বন ন্যানোটিউব, ন্যানোডায়মন্ডের ন্যানোক্রিস্টালাইন এবং ন্যানোকম্পোজিট পাউডার কণার শিল্প-স্তরের উৎপাদনের জন্য সবচেয়ে শক্তিশালী ন্যানোপ্রযুক্তিগত সরঞ্জামগুলির মধ্যে একটি হিসাবে বিবেচনা করা হয়, পাশাপাশি একটি টপ-ডাউন পদ্ধতি ব্যবহার করে ব্যাপক স্থিতিশীলতা এবং মেটাস্টেবল পর্যায়গুলির জন্যও এটি ব্যবহৃত হয়।
এই গবেষণায় Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 মেটালিক গ্লাস কোটিং প্রস্তুত করতে ব্যবহৃত ফ্যাব্রিকেশন পদ্ধতির স্কিম্যাটিক চিত্র। (ক) নিম্ন-শক্তি বল মিলিং পদ্ধতি ব্যবহার করে Ni x (x; ১০, ২০, ৩০, এবং ৪০ পারমাণবিক শতাংশ) এর বিভিন্ন ঘনত্বের MC অ্যালয় পাউডার প্রস্তুত করা। (ক) টুল স্টিল বলসহ প্রারম্ভিক উপাদানটি একটি টুল সিলিন্ডারে লোড করা হয় এবং (খ) একটি He বায়ুমণ্ডল পূর্ণ গ্লাভ বক্সে সিল করা হয়। (গ) গ্রাইন্ডিং পাত্রের স্বচ্ছ মডেল যা গ্রাইন্ডিংয়ের সময় বলের গতিবিধি প্রদর্শন করে। ৫০ ঘন্টা পরে প্রাপ্ত চূড়ান্ত পাউডার পণ্যটি SUS 304 সাবস্ট্রেটে কোল্ড স্প্রে কোটিং করতে ব্যবহৃত হয়েছিল (ঘ)।
যখন কোনো বস্তুর পৃষ্ঠতলের (সাবস্ট্রেট) কথা আসে, তখন সারফেস ইঞ্জিনিয়ারিং বলতে পৃষ্ঠতলের (সাবস্ট্রেট) এমন নকশা ও পরিবর্তনকে বোঝায়, যার মাধ্যমে এমন কিছু ভৌত, রাসায়নিক এবং প্রযুক্তিগত বৈশিষ্ট্য প্রদান করা হয় যা মূল বস্তুটিতে উপস্থিত থাকে না। পৃষ্ঠতল প্রক্রিয়াকরণের মাধ্যমে যে সমস্ত বৈশিষ্ট্য কার্যকরভাবে উন্নত করা যায় তার মধ্যে কয়েকটি হলো ঘর্ষণ, জারণ ও ক্ষয় প্রতিরোধ ক্ষমতা, ঘর্ষণ সহগ, জৈব-নিষ্ক্রিয়তা, বৈদ্যুতিক বৈশিষ্ট্য এবং তাপ নিরোধক ক্ষমতা। ধাতুবিদ্যাগত, যান্ত্রিক বা রাসায়নিক পদ্ধতির মাধ্যমে পৃষ্ঠতলের গুণমান উন্নত করা যেতে পারে। একটি সুপরিচিত প্রক্রিয়া হিসেবে, কোটিং-কে সহজভাবে সংজ্ঞায়িত করা হয় অন্য কোনো বস্তু দিয়ে তৈরি একটি বস্তুর (সাবস্ট্রেট) পৃষ্ঠতলে কৃত্রিমভাবে প্রয়োগ করা এক বা একাধিক স্তরের উপাদান হিসেবে। সুতরাং, কোটিং আংশিকভাবে কাঙ্ক্ষিত প্রযুক্তিগত বা আলংকারিক বৈশিষ্ট্য অর্জনের জন্য, এবং সেইসাথে পরিবেশের সাথে প্রত্যাশিত রাসায়নিক ও ভৌত মিথস্ক্রিয়া থেকে উপাদানকে রক্ষা করার জন্য ব্যবহৃত হয়।
কয়েক মাইক্রোমিটার (১০-২০ মাইক্রোমিটারের নিচে) থেকে শুরু করে ৩০ মাইক্রোমিটারের বেশি বা এমনকি কয়েক মিলিমিটার পুরুত্বের উপযুক্ত প্রতিরক্ষামূলক স্তর প্রয়োগ করার জন্য বিভিন্ন পদ্ধতি এবং কৌশল ব্যবহার করা যেতে পারে। সাধারণভাবে, কোটিং প্রক্রিয়াগুলিকে দুটি বিভাগে ভাগ করা যেতে পারে: (i) ওয়েট কোটিং পদ্ধতি, যার মধ্যে রয়েছে ইলেক্ট্রোপ্লেটিং, হট ডিপ গ্যালভানাইজিং, এবং (ii) ড্রাই কোটিং পদ্ধতি, যার মধ্যে রয়েছে সোল্ডারিং, হার্ডফেসিং, ফিজিক্যাল ভেপার ডিপোজিশন (PVD), কেমিক্যাল ভেপার ডিপোজিশন (CVD), থার্মাল স্প্রে কৌশল, এবং অতি সম্প্রতি কোল্ড স্প্রে কৌশল 24 (চিত্র 1d)।
বায়োফিল্মকে এমন অণুজীব সম্প্রদায় হিসেবে সংজ্ঞায়িত করা হয় যা পৃষ্ঠতলে অপরিবর্তনীয়ভাবে সংযুক্ত থাকে এবং স্ব-উৎপাদিত এক্সট্রা সেলুলার পলিমার (EPS) দ্বারা পরিবেষ্টিত থাকে। পৃষ্ঠতলে একটি পরিণত বায়োফিল্মের গঠন খাদ্য প্রক্রিয়াকরণ, জল ব্যবস্থা এবং স্বাস্থ্যসেবা সহ অনেক শিল্পে উল্লেখযোগ্য ক্ষতির কারণ হতে পারে। মানুষের ক্ষেত্রে, বায়োফিল্ম গঠনের ফলে ৮০% এরও বেশি অণুজীব সংক্রমণের (এন্টারোব্যাকটেরিয়াসি এবং স্ট্যাফাইলোকক্কাই সহ) চিকিৎসা করা কঠিন হয়ে পড়ে। এছাড়াও, পরিণত বায়োফিল্ম প্ল্যাঙ্কটোনিক ব্যাকটেরিয়া কোষের তুলনায় অ্যান্টিবায়োটিক চিকিৎসার বিরুদ্ধে ১০০০ গুণ বেশি প্রতিরোধী বলে জানা গেছে, যা একটি বড় চিকিৎসাগত চ্যালেঞ্জ হিসেবে বিবেচিত হয়। ঐতিহাসিকভাবে, সাধারণ জৈব যৌগ থেকে প্রাপ্ত অ্যান্টিমাইক্রোবিয়াল সারফেস কোটিং উপাদান ব্যবহার করা হয়েছে। যদিও এই ধরনের উপাদানগুলিতে প্রায়শই বিষাক্ত উপাদান থাকে যা মানুষের জন্য সম্ভাব্য ক্ষতিকর,২৫,২৬ তবুও এটি ব্যাকটেরিয়ার সংক্রমণ এবং উপাদানের অবক্ষয় এড়াতে সাহায্য করতে পারে।
বায়োফিল্ম গঠনের কারণে অ্যান্টিবায়োটিক চিকিৎসার বিরুদ্ধে ব্যাকটেরিয়ার ব্যাপক প্রতিরোধ ক্ষমতা তৈরি হওয়ায়, এমন একটি কার্যকর অ্যান্টিমাইক্রোবিয়াল মেমব্রেন-কোটেড পৃষ্ঠ তৈরির প্রয়োজন দেখা দিয়েছে যা নিরাপদে প্রয়োগ করা যায়। এই প্রক্রিয়ার প্রথম পদ্ধতি হলো এমন একটি ভৌত ​​বা রাসায়নিক অ্যান্টি-অ্যাডহেসিভ পৃষ্ঠ তৈরি করা, যেখানে ব্যাকটেরিয়ার কোষগুলি আসঞ্জনের কারণে আবদ্ধ হতে এবং বায়োফিল্ম গঠন করতে পারে না। দ্বিতীয় প্রযুক্তিটি হলো এমন আবরণ তৈরি করা যা অ্যান্টিমাইক্রোবিয়াল রাসায়নিকগুলিকে অত্যন্ত ঘনীভূত এবং নির্দিষ্ট পরিমাণে ঠিক যেখানে প্রয়োজন সেখানে পৌঁছে দেয়। এটি অর্জন করা হয় গ্রাফিন/জার্মেনিয়াম, ব্ল্যাক ডায়মন্ড এবং ZnO-ডোপড ডায়মন্ড-লাইক কার্বন আবরণের মতো অনন্য আবরণ সামগ্রী তৈরির মাধ্যমে, যা ব্যাকটেরিয়া-প্রতিরোধী। এই প্রযুক্তি বায়োফিল্ম গঠনের কারণে বিষাক্ততা এবং প্রতিরোধের বিকাশকে সর্বাধিক করে তোলে। এছাড়াও, জীবাণুনাশক রাসায়নিকযুক্ত আবরণ, যা ব্যাকটেরিয়ার দূষণের বিরুদ্ধে দীর্ঘমেয়াদী সুরক্ষা প্রদান করে, ক্রমশ জনপ্রিয় হয়ে উঠছে। যদিও এই তিনটি পদ্ধতিই আবৃত পৃষ্ঠে অ্যান্টিমাইক্রোবিয়াল ক্রিয়া প্রদর্শন করতে সক্ষম, তবে প্রয়োগ কৌশল তৈরির সময় প্রতিটির নিজস্ব সীমাবদ্ধতা বিবেচনা করা উচিত।
বর্তমানে বাজারে থাকা পণ্যগুলো জৈবিকভাবে সক্রিয় উপাদানের জন্য প্রতিরক্ষামূলক আবরণ বিশ্লেষণ ও পরীক্ষা করার সময়ের অভাবে বাধাগ্রস্ত হচ্ছে। কোম্পানিগুলো দাবি করে যে তাদের পণ্য ব্যবহারকারীদের কাঙ্ক্ষিত কার্যকরী দিকগুলো প্রদান করবে, তবে এটি বর্তমানে বাজারে থাকা পণ্যগুলোর সাফল্যের পথে একটি বাধা হয়ে দাঁড়িয়েছে। বর্তমানে ভোক্তাদের জন্য উপলব্ধ অধিকাংশ জীবাণুনাশকেই রূপা থেকে প্রাপ্ত যৌগ ব্যবহৃত হয়। এই পণ্যগুলো ব্যবহারকারীদের অণুজীবের সম্ভাব্য ক্ষতিকর সংস্পর্শ থেকে রক্ষা করার জন্য তৈরি করা হয়েছে। রূপার যৌগের বিলম্বিত জীবাণুনাশক প্রভাব এবং এর সাথে সম্পর্কিত বিষাক্ততা গবেষকদের উপর একটি কম ক্ষতিকর বিকল্প তৈরি করার জন্য চাপ বাড়িয়ে দেয়। একটি বৈশ্বিক জীবাণুনাশক আবরণ তৈরি করা যা ভেতর এবং বাইরে উভয় দিকেই কাজ করে, তা এখনও একটি চ্যালেঞ্জ। এর সাথে স্বাস্থ্য ও সুরক্ষার ঝুঁকি জড়িত। মানুষের জন্য কম ক্ষতিকর একটি জীবাণুনাশক উপাদান আবিষ্কার করা এবং এটিকে দীর্ঘস্থায়ী আবরণের উপাদানে কীভাবে অন্তর্ভুক্ত করা যায় তা বের করা একটি বহুল আকাঙ্ক্ষিত লক্ষ্য। সর্বশেষ জীবাণুনাশক এবং অ্যান্টিবায়োফিল্ম উপাদানগুলো সরাসরি সংস্পর্শে অথবা সক্রিয় উপাদানটি নির্গত হওয়ার পরে খুব কাছ থেকে ব্যাকটেরিয়া মেরে ফেলার জন্য ডিজাইন করা হয়েছে। তারা ব্যাকটেরিয়ার প্রাথমিক আসঞ্জনকে বাধা দিয়ে (পৃষ্ঠে প্রোটিন স্তর গঠন প্রতিরোধ করা সহ) অথবা কোষ প্রাচীরে হস্তক্ষেপ করে ব্যাকটেরিয়াকে মেরে ফেলার মাধ্যমে এই কাজটি করতে পারে।
মূলত, সারফেস কোটিং হলো কোনো উপাদানের পৃষ্ঠের বৈশিষ্ট্য উন্নত করার জন্য তার উপর আরেকটি স্তর প্রয়োগ করার প্রক্রিয়া। সারফেস কোটিং-এর উদ্দেশ্য হলো কোনো উপাদানের পৃষ্ঠের নিকটবর্তী অঞ্চলের অণুসজ্জা এবং/অথবা গঠন পরিবর্তন করা। সারফেস কোটিং পদ্ধতিগুলোকে বিভিন্ন ভাগে ভাগ করা যায়, যা চিত্র ২ক-তে সংক্ষেপে তুলে ধরা হয়েছে। কোটিং তৈরির পদ্ধতির উপর নির্ভর করে একে তাপীয়, রাসায়নিক, ভৌত এবং তড়িৎ-রাসায়নিক শ্রেণিতে ভাগ করা যায়।
(ক) প্রধান পৃষ্ঠতল নির্মাণ কৌশলসমূহ প্রদর্শনকারী একটি সন্নিবেশ, এবং (খ) কোল্ড স্প্রে পদ্ধতির নির্বাচিত সুবিধা ও অসুবিধাসমূহ।
কোল্ড স্প্রে প্রযুক্তির সাথে প্রচলিত থার্মাল স্প্রে কৌশলের অনেক মিল রয়েছে। তবে, কিছু মূল মৌলিক বৈশিষ্ট্যও রয়েছে যা কোল্ড স্প্রে প্রক্রিয়া এবং কোল্ড স্প্রে উপকরণগুলিকে বিশেষভাবে অনন্য করে তোলে। কোল্ড স্প্রে প্রযুক্তি এখনও শৈশবাবস্থায় রয়েছে, কিন্তু এর একটি উজ্জ্বল ভবিষ্যৎ রয়েছে। কিছু ক্ষেত্রে, কোল্ড স্প্রেয়িংয়ের অনন্য বৈশিষ্ট্যগুলি প্রচলিত থার্মাল স্প্রেয়িং কৌশলের সীমাবদ্ধতাগুলি কাটিয়ে উঠে দারুণ সুবিধা প্রদান করে। এটি প্রচলিত থার্মাল স্প্রে প্রযুক্তির উল্লেখযোগ্য সীমাবদ্ধতাগুলি কাটিয়ে ওঠে, যেখানে একটি সাবস্ট্রেটের উপর জমা করার জন্য পাউডারকে অবশ্যই গলাতে হয়। স্পষ্টতই, এই প্রচলিত কোটিং প্রক্রিয়াটি ন্যানোক্রিস্টাল, ন্যানো পার্টিকেল, অ্যামরফাস এবং মেটালিক গ্লাসের মতো অত্যন্ত তাপমাত্রা-সংবেদনশীল উপকরণগুলির জন্য উপযুক্ত নয়। উপরন্তু, থার্মাল স্প্রে কোটিং উপকরণগুলিতে সর্বদা উচ্চ মাত্রার পোরোসিটি এবং অক্সাইড থাকে। থার্মাল স্প্রে প্রযুক্তির তুলনায় কোল্ড স্প্রে প্রযুক্তির অনেক উল্লেখযোগ্য সুবিধা রয়েছে, যেমন (i) সাবস্ট্রেটে ন্যূনতম তাপ প্রয়োগ, (ii) সাবস্ট্রেট কোটিং বেছে নেওয়ার ক্ষেত্রে নমনীয়তা, (iii) কোনো ফেজ রূপান্তর এবং গ্রেইন বৃদ্ধি না হওয়া, (iv) উচ্চ আঠালো শক্তি (চিত্র 2b)। এছাড়াও, কোল্ড স্প্রে কোটিং উপকরণগুলির উচ্চ ক্ষয় প্রতিরোধ ক্ষমতা, উচ্চ শক্তি এবং কঠোরতা, উচ্চ বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা এবং উচ্চ ঘনত্ব রয়েছে। কোল্ড স্প্রে প্রক্রিয়ার সুবিধা থাকা সত্ত্বেও, এই পদ্ধতির এখনও কিছু অসুবিধা রয়েছে, যেমনটি চিত্র 2b-তে দেখানো হয়েছে। Al2O3, TiO2, ZrO2, WC ইত্যাদির মতো বিশুদ্ধ সিরামিক পাউডার কোটিং করার সময় কোল্ড স্প্রে পদ্ধতি ব্যবহার করা যায় না। অন্যদিকে, সিরামিক/ধাতু যৌগিক পাউডার কোটিং-এর কাঁচামাল হিসেবে ব্যবহার করা যেতে পারে। অন্যান্য থার্মাল স্প্রেয়িং পদ্ধতির ক্ষেত্রেও একই কথা প্রযোজ্য। কঠিন পৃষ্ঠতল এবং পাইপের অভ্যন্তরে স্প্রে করা এখনও কঠিন।
যেহেতু বর্তমান কাজটি আবরণের জন্য প্রাথমিক উপাদান হিসেবে ধাতব কাঁচসদৃশ গুঁড়া ব্যবহারের উদ্দেশ্যে পরিচালিত, তাই এটা স্পষ্ট যে এই উদ্দেশ্যে প্রচলিত তাপীয় স্প্রে পদ্ধতি ব্যবহার করা যাবে না। এর কারণ হলো, ধাতব কাঁচসদৃশ গুঁড়া উচ্চ তাপমাত্রায় স্ফটিকীভূত হয়¹।
চিকিৎসা এবং খাদ্য শিল্পে ব্যবহৃত বেশিরভাগ যন্ত্রপাতি অস্টেনিটিক স্টেইনলেস স্টিল অ্যালয় (SUS316 এবং SUS304) থেকে তৈরি করা হয়, যেখানে অস্ত্রোপচারের যন্ত্রপাতি তৈরির জন্য ১২ থেকে ২০ ওজন শতাংশ ক্রোমিয়াম থাকে। এটি সাধারণত স্বীকৃত যে স্টিল অ্যালয়ে সংকর উপাদান হিসেবে ক্রোমিয়াম ধাতুর ব্যবহার সাধারণ স্টিল অ্যালয়ের ক্ষয় প্রতিরোধ ক্ষমতাকে উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত করতে পারে। স্টেইনলেস স্টিল অ্যালয়ের উচ্চ ক্ষয় প্রতিরোধ ক্ষমতা থাকা সত্ত্বেও, এদের উল্লেখযোগ্য জীবাণু-প্রতিরোধী বৈশিষ্ট্য নেই। এটি তাদের উচ্চ ক্ষয় প্রতিরোধ ক্ষমতার বিপরীত। এরপর, সংক্রমণ এবং প্রদাহের বিকাশের পূর্বাভাস দেওয়া সম্ভব, যা মূলত স্টেইনলেস স্টিল বায়োমেটেরিয়ালের পৃষ্ঠে ব্যাকটেরিয়ার আসঞ্জন এবং উপনিবেশ স্থাপনের কারণে ঘটে। ব্যাকটেরিয়ার আসঞ্জন এবং বায়োফিল্ম গঠনের পথের সাথে সম্পর্কিত উল্লেখযোগ্য অসুবিধার কারণে গুরুতর সমস্যা দেখা দিতে পারে, যা স্বাস্থ্যের অবনতি ঘটাতে পারে এবং এর অনেক পরিণতি থাকতে পারে যা প্রত্যক্ষ বা পরোক্ষভাবে মানব স্বাস্থ্যকে প্রভাবিত করতে পারে।
এই গবেষণাটি কুয়েত ফাউন্ডেশন ফর দ্য অ্যাডভান্সমেন্ট অফ সায়েন্স (KFAS) দ্বারা অর্থায়িত একটি প্রকল্পের প্রথম পর্যায়, যার চুক্তি নম্বর ২০১০-৫৫০৪০১। এর উদ্দেশ্য হলো এমএ প্রযুক্তি (সারণি ১) ব্যবহার করে ধাতব কাঁচসদৃশ Cu-Zr-Ni ত্রিমাত্রিক পাউডার উৎপাদনের সম্ভাব্যতা যাচাই করা, যা SUS304 জীবাণুনাশক পৃষ্ঠ সুরক্ষা ফিল্ম/আবরণ তৈরির জন্য ব্যবহৃত হবে। প্রকল্পের দ্বিতীয় পর্যায়, যা ২০২৩ সালের জানুয়ারিতে শুরু হবে, তাতে সিস্টেমটির গ্যালভানিক ক্ষয় বৈশিষ্ট্য এবং যান্ত্রিক গুণাবলী নিয়ে বিস্তারিতভাবে অধ্যয়ন করা হবে। বিভিন্ন ধরণের ব্যাকটেরিয়ার জন্য বিস্তারিত অণুজীববিজ্ঞান সংক্রান্ত পরীক্ষাও চালানো হবে।
এই প্রবন্ধে রূপতাত্ত্বিক এবং কাঠামোগত বৈশিষ্ট্যের উপর ভিত্তি করে গ্লাস ফর্মিং এবিলিটি (GFA)-এর উপর Zr সংকর ধাতুর পরিমাণের প্রভাব আলোচনা করা হয়েছে। এছাড়াও, পাউডার কোটেড মেটাল গ্লাস/SUS304 কম্পোজিটের অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল বৈশিষ্ট্য নিয়েও আলোচনা করা হয়েছে। অধিকন্তু, নির্মিত মেটালিক গ্লাস সিস্টেমের সুপারকুলড লিকুইড অঞ্চলে কোল্ড স্প্রেয়িংয়ের সময় মেটালিক গ্লাস পাউডারের কাঠামোগত রূপান্তরের সম্ভাবনা তদন্ত করার জন্য কাজ চলছে। এই গবেষণায় প্রতিনিধি উদাহরণ হিসেবে Cu50Zr30Ni20 এবং Cu50Zr20Ni30 মেটালিক গ্লাস সংকর ধাতু ব্যবহার করা হয়েছে।
এই অংশে নিম্ন-শক্তি বল মিলিং চলাকালীন মৌলিক Cu, Zr এবং Ni-এর পাউডারের গঠনগত পরিবর্তন উপস্থাপন করা হয়েছে। দৃষ্টান্তমূলক উদাহরণ হিসেবে Cu50Zr20Ni30 এবং Cu50Zr40Ni10 দ্বারা গঠিত দুটি ভিন্ন সিস্টেম ব্যবহার করা হবে। গ্রাইন্ডিং পর্যায়ে প্রাপ্ত পাউডারের মেটালোগ্রাফিক বৈশিষ্ট্য বিশ্লেষণ (চিত্র ৩) থেকে প্রমাণিত হয় যে, MA প্রক্রিয়াটিকে তিনটি পৃথক পর্যায়ে বিভক্ত করা যেতে পারে।
বল গ্রাইন্ডিংয়ের বিভিন্ন পর্যায়ের পর প্রাপ্ত মেকানিক্যাল অ্যালয় (MA) পাউডারের মেটালোগ্রাফিক বৈশিষ্ট্য। একই MA-এর উপর Cu50Zr20Ni30 সিস্টেমের জন্য, ৩, ১২ এবং ৫০ ঘণ্টা ধরে কম শক্তির বল মিলিংয়ের পর প্রাপ্ত MA এবং Cu50Zr40Ni10 পাউডারের ফিল্ড এমিশন স্ক্যানিং ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি (FE-SEM) চিত্র (a), (c) এবং (e)-তে দেখানো হয়েছে। নির্দিষ্ট সময় পর তোলা Cu50Zr40Ni10 সিস্টেমের অনুরূপ চিত্রগুলি (b), (d), এবং (f)-তে দেখানো হয়েছে।
বল মিলিং চলাকালীন, ধাতব পাউডারে যে কার্যকর গতিশক্তি স্থানান্তরিত হতে পারে, তা বিভিন্ন প্যারামিটারের সমন্বয়ে প্রভাবিত হয়, যেমনটি চিত্র ১ক-তে দেখানো হয়েছে। এর মধ্যে রয়েছে বল ও পাউডারের মধ্যে সংঘর্ষ, গ্রাইন্ডিং মিডিয়ার মধ্যে বা এর মাঝে আটকে থাকা পাউডারের শিয়ার কম্প্রেশন, পতনশীল বলের আঘাত, বল মিলের চলমান অংশগুলোর মধ্যে পাউডারের ঘর্ষণের কারণে সৃষ্ট শিয়ার ও ক্ষয়, এবং পতনশীল বলের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত হয়ে লোড করা কালচারের মধ্য দিয়ে সঞ্চারিত হওয়া একটি শক ওয়েভ (চিত্র ১ক)। Элементарные порошки Cu, Zr и Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки на ранней стадии МА (3 ч), что привеборбокурюку частиц порошка (> 1 мм в диаметре)। এমএ-এর প্রাথমিক পর্যায়ে (৩ ঘণ্টা) কোল্ড ওয়েল্ডিংয়ের কারণে মৌলিক Cu, Zr, এবং Ni পাউডারগুলো মারাত্মকভাবে বিকৃত হয়েছিল, যার ফলে বড় পাউডার কণা (> ১ মিমি ব্যাস) তৈরি হয়েছিল।এই বৃহৎ যৌগিক কণাগুলোর বৈশিষ্ট্য হলো সংকর উপাদানগুলোর (Cu, Zr, Ni) পুরু স্তর গঠন, যা চিত্র 3a,b-তে দেখানো হয়েছে। MA সময় 12 ঘণ্টা পর্যন্ত বৃদ্ধি করার ফলে (মধ্যবর্তী পর্যায়) বল মিলের গতিশক্তি বৃদ্ধি পায়, যার ফলে যৌগিক পাউডারটি ভেঙে ছোট ছোট পাউডারে (200 μm-এর কম) পরিণত হয়, যা চিত্র 3c,d-তে দেখানো হয়েছে। এই পর্যায়ে, প্রয়োগকৃত শিয়ার বলের প্রভাবে পাতলা Cu, Zr, Ni-এর আভাসযুক্ত স্তরসহ একটি নতুন ধাতব পৃষ্ঠ তৈরি হয়, যা চিত্র 3c,d-তে দেখানো হয়েছে। ফ্লেকগুলোর সংযোগস্থলে স্তরগুলোর পেষণের ফলে কঠিন-দশা বিক্রিয়া ঘটে এবং নতুন দশা গঠিত হয়।
MA প্রক্রিয়ার চূড়ান্ত পর্যায়ে (৫০ ঘণ্টা পর), ফ্লেক মেটালোগ্রাফি প্রায় অদৃশ্য হয়ে গিয়েছিল (চিত্র ৩e, f), এবং পাউডারের পালিশ করা পৃষ্ঠে মিরর মেটালোগ্রাফি দেখা গিয়েছিল। এর অর্থ হলো MA প্রক্রিয়াটি সম্পন্ন হয়েছিল এবং একটি একক বিক্রিয়া পর্যায় তৈরি হয়েছিল। চিত্র ৩e (I, II, III), f, v, vi)-তে নির্দেশিত অঞ্চলগুলির মৌলীয় গঠন ফিল্ড এমিশন স্ক্যানিং ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি (FE-SEM) এবং এনার্জি ডিসপারসিভ এক্স-রে স্পেকট্রোস্কোপি (EDS)-এর সমন্বয়ে নির্ধারণ করা হয়েছিল। (IV)।
সারণি ২-এ, চিত্র ৩e, f-এ নির্বাচিত প্রতিটি অঞ্চলের মোট ভরের শতাংশ হিসাবে সংকর উপাদানগুলির ঘনত্ব দেখানো হয়েছে। সারণি ১-এ প্রদত্ত Cu50Zr20Ni30 এবং Cu50Zr40Ni10-এর প্রাথমিক নামমাত্র সংযুক্তিগুলির সাথে এই ফলাফলগুলি তুলনা করলে দেখা যায় যে, এই দুটি চূড়ান্ত পণ্যের সংযুক্তিগুলি নামমাত্র সংযুক্তিগুলির খুব কাছাকাছি। এছাড়াও, চিত্র ৩e, f-এ তালিকাভুক্ত অঞ্চলগুলির জন্য উপাদানগুলির আপেক্ষিক মানগুলি এক অঞ্চল থেকে অন্য অঞ্চলে প্রতিটি নমুনার সংযুক্তিতে উল্লেখযোগ্য অবনতি বা তারতম্যের ইঙ্গিত দেয় না। এক অঞ্চল থেকে অন্য অঞ্চলে সংযুক্তিতে কোনো পরিবর্তন না হওয়াই এর প্রমাণ। এটি সারণি ২-এ দেখানো অভিন্ন সংকর গুঁড়া উৎপাদনের ইঙ্গিত দেয়।
৫০ এমএ সময় পর Cu50(Zr50-xNix) চূড়ান্ত উৎপাদিত পাউডারের FE-SEM মাইক্রোগ্রাফ পাওয়া গেছে, যা চিত্র ৪ক-ঘ-তে দেখানো হয়েছে, যেখানে x-এর মান যথাক্রমে ১০, ২০, ৩০ এবং ৪০ অ্যাটমিক পার্সেন্ট। এই পেষণ ধাপের পর, ভ্যান ডার ওয়ালস প্রভাবের কারণে পাউডারটি জমাট বাঁধে, যার ফলে ৭৩ থেকে ১২৬ ন্যানোমিটার ব্যাসের অতিসূক্ষ্ম কণা দ্বারা গঠিত বড় আকারের পিণ্ড তৈরি হয়, যা চিত্র ৪-এ দেখানো হয়েছে।
৫০-ঘন্টার MA-এর পর প্রাপ্ত Cu50(Zr50-xNix) পাউডারগুলির আকারতাত্ত্বিক বৈশিষ্ট্য। Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 সিস্টেমগুলির জন্য, ৫০ MA-এর পর প্রাপ্ত পাউডারগুলির FE-SEM চিত্রগুলি যথাক্রমে (a), (b), (c), এবং (d)-তে দেখানো হয়েছে।
কোল্ড স্প্রে ফিডারে পাউডারগুলো লোড করার আগে, সেগুলোকে প্রথমে অ্যানালিটিক্যাল গ্রেড ইথানলে ১৫ মিনিটের জন্য সনিকেট করা হয় এবং তারপর ১৫০° সেলসিয়াস তাপমাত্রায় ২ ঘন্টা ধরে শুকানো হয়। অ্যাগ্লোমারেশন সফলভাবে প্রতিরোধ করার জন্য এই পদক্ষেপটি অবশ্যই গ্রহণ করতে হবে, যা কোটিং প্রক্রিয়ায় প্রায়শই অনেক গুরুতর সমস্যার কারণ হয়। MA প্রক্রিয়া সম্পন্ন হওয়ার পর, অ্যালয় পাউডারগুলোর সমসত্ত্বতা যাচাই করার জন্য আরও গবেষণা চালানো হয়। চিত্র ৫ক–ঘ-তে যথাক্রমে ৫০ ঘন্টা সময় M-এর পরে তোলা Cu50Zr30Ni20 অ্যালয়ের Cu, Zr এবং Ni অ্যালয়িং উপাদানগুলোর FE-SEM মাইক্রোগ্রাফ এবং সংশ্লিষ্ট EDS চিত্র দেখানো হয়েছে। এটি উল্লেখ্য যে, এই ধাপের পরে প্রাপ্ত অ্যালয় পাউডারগুলো সমসত্ত্ব, কারণ চিত্র ৫-এ যেমন দেখানো হয়েছে, এগুলোতে সাব-ন্যানোমিটার স্তরের বাইরে কোনো গঠনগত তারতম্য দেখা যায় না।
৫০ এমএ (MA) তাপ প্রয়োগের পর প্রাপ্ত MG Cu50Zr30Ni20 পাউডারে মৌলসমূহের গঠন এবং স্থানীয় বন্টন, এফই-এসইএম (FE-SEM)/এনার্জি ডিসপারসিভ এক্স-রে স্পেকট্রোস্কোপি (EDS) দ্বারা নির্ণীত। (ক) (খ) Cu-Kα, (গ) Zr-Lα, এবং (ঘ) Ni-Kα-এর এসইএম (SEM) এবং এক্স-রে ইডিএস (EDS) চিত্র।
৫০-ঘণ্টা মেকানিক্যাল অ্যালয়িং (MA) করার পর প্রাপ্ত Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, এবং Cu50Zr20Ni30 পাউডারগুলির এক্স-রে ডিফ্র্যাকশন প্যাটার্ন যথাক্রমে চিত্র ৬ক–ঘ-তে দেখানো হয়েছে। এই গ্রাইন্ডিং পর্যায়ের পর, বিভিন্ন Zr ঘনত্বের সমস্ত নমুনারই অ্যামরফাস কাঠামো ছিল এবং চিত্র ৬-এ দেখানো বৈশিষ্ট্যপূর্ণ হ্যালো ডিফিউশন প্যাটার্ন বিদ্যমান ছিল।
৫০ ঘন্টা ধরে MA প্রয়োগের পর Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), এবং Cu50Zr20Ni30 (d) পাউডারগুলির এক্স-রে ডিফ্র্যাকশন প্যাটার্ন। ব্যতিক্রম ছাড়া সমস্ত নমুনায় একটি হ্যালো-ডিফিউশন প্যাটার্ন পরিলক্ষিত হয়েছে, যা একটি অ্যামরফাস ফেজ গঠনের ইঙ্গিত দেয়।
বিভিন্ন MA সময়ে বল মিলিং-এর ফলে উৎপন্ন পাউডারের গাঠনিক পরিবর্তন পর্যবেক্ষণ করতে এবং এর স্থানীয় গঠন বুঝতে হাই রেজোলিউশন ফিল্ড এমিশন ট্রান্সমিশন ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি (FE-HRTEM) ব্যবহার করা হয়েছিল। Cu50Zr30Ni20 এবং Cu50Zr40Ni10 পাউডার গ্রাইন্ডিং-এর প্রাথমিক (৬ ঘণ্টা) এবং মধ্যবর্তী (১৮ ঘণ্টা) পর্যায়ে FE-HRTEM পদ্ধতিতে প্রাপ্ত পাউডারের ছবি যথাক্রমে চিত্র ৭ক-তে দেখানো হয়েছে। ৬ ঘণ্টা MA-এর পর প্রাপ্ত পাউডারের ব্রাইট-ফিল্ড ইমেজ (BFI) অনুসারে, পাউডারটি fcc-Cu, hcp-Zr, এবং fcc-Ni মৌলগুলোর সুস্পষ্ট সীমানাসহ বড় দানা দ্বারা গঠিত এবং কোনো বিক্রিয়াশীল দশা গঠনের লক্ষণ নেই, যেমনটি চিত্র ৭ক-তে দেখানো হয়েছে। এছাড়াও, মধ্যবর্তী অঞ্চল (ক) থেকে নেওয়া একটি কোরিলেটেড সিলেক্টেড এরিয়া ডিফ্র্যাকশন প্যাটার্ন (SADP) একটি তীক্ষ্ণ ডিফ্র্যাকশন প্যাটার্ন প্রকাশ করেছে (চিত্র ৭খ), যা বড় ক্রিস্টালাইটের উপস্থিতি এবং কোনো বিক্রিয়াশীল দশার অনুপস্থিতি নির্দেশ করে।
প্রাথমিক (৬ ঘণ্টা) এবং মধ্যবর্তী (১৮ ঘণ্টা) পর্যায়ে প্রাপ্ত MA পাউডারের স্থানীয় কাঠামোগত বৈশিষ্ট্য। (ক) উচ্চ রেজোলিউশন ফিল্ড এমিশন ট্রান্সমিশন ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি (FE-HRTEM) এবং (খ) ৬ ঘণ্টা MA ট্রিটমেন্টের পর Cu50Zr30Ni20 পাউডারের সংশ্লিষ্ট নির্বাচিত এলাকা ডিফ্র্যাক্টোগ্রাম (SADP)। ১৮-ঘণ্টা MA-এর পর প্রাপ্ত Cu50Zr40Ni10-এর FE-HRTEM চিত্রটি (গ)-তে দেখানো হয়েছে।
চিত্র ৭গ-তে যেমন দেখানো হয়েছে, এমএ (MA)-এর সময়কাল ১৮ ঘণ্টা পর্যন্ত বৃদ্ধি করার ফলে প্লাস্টিক বিকৃতির সাথে গুরুতর ল্যাটিস ত্রুটি দেখা দেয়। এমএ প্রক্রিয়ার এই মধ্যবর্তী পর্যায়ে, পাউডারে বিভিন্ন ত্রুটি দেখা দেয়, যার মধ্যে রয়েছে স্ট্যাকিং ফল্ট, ল্যাটিস ত্রুটি এবং পয়েন্ট ত্রুটি (চিত্র ৭)। এই ত্রুটিগুলির কারণে দানার সীমানা বরাবর বড় দানাগুলো ভেঙে ২০ ন্যানোমিটারের চেয়ে ছোট উপ-দানায় পরিণত হয় (চিত্র ৭গ)।
৩৬ ঘণ্টা ধরে মেকানিক্যাল অ্যামরফাস (MA) মিলিং করা Cu50Z30Ni20 পাউডারের স্থানীয় কাঠামোর বৈশিষ্ট্য হলো একটি অ্যামরফাস পাতলা ম্যাট্রিক্সের মধ্যে প্রোথিত অতিসূক্ষ্ম ন্যানোকণার গঠন, যা চিত্র ৮ক-তে দেখানো হয়েছে। ইলেকট্রোম্যাগনেটিক ফিল্ড (EMF)-এর স্থানীয় বিশ্লেষণে দেখা গেছে যে চিত্র ৮ক-তে প্রদর্শিত ন্যানোক্লাস্টারগুলো অপরিশোধিত Cu, Zr এবং Ni পাউডার সংকর ধাতুর সাথে সম্পর্কিত। ম্যাট্রিক্সে Cu-এর পরিমাণ ~৩২ অ্যাটমিক পার্সেন্ট (কম Cu যুক্ত অঞ্চল) থেকে ~৭৪ অ্যাটমিক পার্সেন্ট (বেশি Cu যুক্ত অঞ্চল) পর্যন্ত পরিবর্তিত হয়েছে, যা হেটেরোজেনাস উৎপাদের গঠন নির্দেশ করে। এছাড়াও, এই ধাপে মিলিং করার পর প্রাপ্ত পাউডারগুলোর সংশ্লিষ্ট SADP-তে প্রাথমিক ও মাধ্যমিক হ্যালো-ডিফিউশন অ্যামরফাস ফেজ রিং দেখা যায়, যা এই অপরিশোধিত সংকর উপাদানগুলোর সাথে সম্পর্কিত তীক্ষ্ণ বিন্দুর সাথে উপরিপাতিত থাকে, যেমনটি চিত্র ৮খ-তে দেখানো হয়েছে।
৩৬ ঘন্টার বেশি সময় ধরে MA মিলিং করার পর প্রাপ্ত Cu50Zr30Ni20 পাউডারের ন্যানোস্কেল স্থানীয় কাঠামোগত বৈশিষ্ট্য। (ক) ব্রাইট ফিল্ড ইমেজ (BFI) এবং সংশ্লিষ্ট (খ) SADP।
MA প্রক্রিয়ার শেষের দিকে (৫০ ঘণ্টা), Cu50(Zr50-xNix), X, ১০, ২০, ৩০, এবং ৪০ অ্যাটম পার্সেন্ট পাউডারগুলো, ব্যতিক্রম ছাড়াই, অ্যামরফাস দশার একটি গোলকধাঁধাময় গঠন প্রদর্শন করে, যেমনটি চিত্রে দেখানো হয়েছে। প্রতিটি কম্পোজিশনের সংশ্লিষ্ট SADS-এ বিন্দু বিচ্ছুরণ বা তীক্ষ্ণ বলয়াকার প্যাটার্ন কোনটিই শনাক্ত করা যায়নি। এটি অপরিশোধিত স্ফটিকাকার ধাতুর অনুপস্থিতি নির্দেশ করে, বরং একটি অ্যামরফাস সংকর ধাতুর পাউডার গঠিত হওয়ার ইঙ্গিত দেয়। হ্যালো ডিফিউশন প্যাটার্ন প্রদর্শনকারী এই সম্পর্কযুক্ত SADP-গুলো চূড়ান্ত উৎপাদিত পদার্থে অ্যামরফাস দশার বিকাশের প্রমাণ হিসেবেও ব্যবহৃত হয়েছিল।
Cu50 MS সিস্টেমের চূড়ান্ত উৎপাদের (Zr50-xNix) স্থানীয় গঠন। ৫০ ঘণ্টা MA-এর পর প্রাপ্ত (ক) Cu50Zr40Ni10, (খ) Cu50Zr30Ni20, (গ) Cu50Zr20Ni30, এবং (ঘ) Cu50Zr10Ni40-এর FE-HRTEM এবং সংশ্লিষ্ট ন্যানোবিম ডিফ্র্যাকশন প্যাটার্ন (NBDP)।
ডিফারেনশিয়াল স্ক্যানিং ক্যালোরিমেট্রি ব্যবহার করে, Cu50(Zr50-xNix) অ্যামরফাস সিস্টেমে Ni (x)-এর পরিমাণের উপর নির্ভর করে গ্লাস ট্রানজিশন তাপমাত্রা (Tg), সুপারকুলড লিকুইড রিজিয়ন (ΔTx) এবং ক্রিস্টালাইজেশন তাপমাত্রা (Tx)-এর তাপীয় স্থিতিশীলতা অধ্যয়ন করা হয়েছিল। He গ্যাস প্রবাহে (DSC) বৈশিষ্ট্যসমূহ পরীক্ষা করা হয়। ৫০ ঘন্টা ধরে MA-এর পরে প্রাপ্ত Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, এবং Cu50Zr10Ni40 অ্যামরফাস অ্যালয়ের পাউডারের DSC কার্ভগুলি যথাক্রমে চিত্র 10a, b, e-তে দেখানো হয়েছে। অন্যদিকে, অ্যামরফাস Cu50Zr20Ni30-এর DSC কার্ভটি চিত্র 10-তে আলাদাভাবে দেখানো হয়েছে। এদিকে, DSC-তে ~700°C পর্যন্ত উত্তপ্ত একটি Cu50Zr30Ni20 নমুনা চিত্র 10g-তে দেখানো হয়েছে।
৫০ ঘন্টা ধরে মেকানিক্যাল হিটিং (MA) করার পর প্রাপ্ত Cu50(Zr50-xNix) MG পাউডারের তাপীয় স্থিতিশীলতা গ্লাস ট্রানজিশন তাপমাত্রা (Tg), ক্রিস্টালাইজেশন তাপমাত্রা (Tx) এবং সুপারকুলড লিকুইড রিজিয়ন (ΔTx) দ্বারা নির্ধারিত হয়। ৫০ ঘন্টা ধরে মেকানিক্যাল হিটিং (MA) করার পর Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), এবং (e) Cu50Zr10Ni40 MG অ্যালয় পাউডারের ডিফারেনশিয়াল স্ক্যানিং ক্যালোরিমিটার (DSC) থার্মোগ্রাম। DSC-তে ~৭০০°C পর্যন্ত উত্তপ্ত করা একটি Cu50Zr30Ni20 নমুনার এক্স-রে ডিফ্র্যাকশন প্যাটার্ন (XRD) (d)-তে দেখানো হয়েছে।
চিত্র ১০-এ যেমন দেখানো হয়েছে, বিভিন্ন নিকেল ঘনত্ব (x) সহ সমস্ত গঠনের জন্য DSC বক্ররেখা দুটি ভিন্ন অবস্থা নির্দেশ করে, একটি তাপগ্রাহী এবং অন্যটি তাপমোচী। প্রথম তাপগ্রাহী ঘটনাটি Tg-এর সাথে সঙ্গতিপূর্ণ, এবং দ্বিতীয়টি Tx-এর সাথে সম্পর্কিত। Tg এবং Tx-এর মধ্যে বিদ্যমান অনুভূমিক বিস্তৃতিকে সাবকুলড লিকুইড এরিয়া (ΔTx = Tx – Tg) বলা হয়। ফলাফল থেকে দেখা যায় যে, চিত্র ১০খ-তে যেমন দেখানো হয়েছে, ৫২৬°C এবং ৬১২°C-এ রাখা Cu50Zr40Ni10 নমুনার (চিত্র ১০ক) Tg এবং Tx, নিকেলের পরিমাণ (x) বৃদ্ধির সাথে সাথে যথাক্রমে ৪৮২°C এবং ৫৬৩°C-এর নিম্ন তাপমাত্রার দিকে ২০ অ্যাটমিক শতাংশ পর্যন্ত স্থানান্তরিত হয়। ফলস্বরূপ, ΔTx Cu50Zr40Ni10-এর ক্ষেত্রে ৮৬°সে (চিত্র ১০ক) থেকে কমে Cu50Zr30Ni20-এর ক্ষেত্রে ৮১°সে (চিত্র ১০খ) হয়। MC Cu50Zr40Ni10 সংকর ধাতুর ক্ষেত্রে, Tg, Tx, এবং ΔTx-এর মান যথাক্রমে ৪৪৭°সে, ৫২৬°সে, এবং ৭৯°সে-তে হ্রাস পেতেও দেখা গেছে (চিত্র ১০খ)। এটি নির্দেশ করে যে নিকেলের পরিমাণ বৃদ্ধি MS সংকর ধাতুর তাপীয় স্থিতিশীলতা হ্রাস করে। এর বিপরীতে, MC Cu50Zr20Ni30 সংকর ধাতুর Tg-এর মান (৫০৭ °সে) MC Cu50Zr40Ni10 সংকর ধাতুর চেয়ে কম; তবুও, এর Tx-এর মান এর সাথে তুলনীয় (৬১২ °সে)। অতএব, চিত্রে দেখানো অনুযায়ী ΔTx-এর মান বেশি (৮৭°C)।
Cu50Zr20Ni30 MC সংকর ধাতুকে উদাহরণ হিসেবে ব্যবহার করে, Cu50(Zr50-xNix) MC সিস্টেমটি একটি তীব্র তাপোৎপাদী শিখরের মাধ্যমে fcc-ZrCu5, অর্থোরম্বিক-Zr7Cu10, এবং অর্থোরম্বিক-ZrNi স্ফটিকীয় দশায় রূপান্তরিত হয় (চিত্র 10c)। অনিয়তাকার থেকে স্ফটিকীয় দশায় এই রূপান্তরটি MG নমুনার এক্স-রে ডিফ্র্যাকশন বিশ্লেষণের মাধ্যমে নিশ্চিত করা হয়েছিল (চিত্র 10d), যেটিকে DSC-তে 700 °C পর্যন্ত উত্তপ্ত করা হয়েছিল।
চিত্র ১১-তে বর্তমান গবেষণায় পরিচালিত কোল্ড স্প্রে প্রক্রিয়ার সময় তোলা ছবি দেখানো হয়েছে। এই গবেষণায়, ৫০ ঘন্টা ধরে এমএ (MA) করার পর সংশ্লেষিত ধাতব গ্লাসি পাউডার কণা (উদাহরণস্বরূপ Cu50Zr20Ni30 ব্যবহার করে) একটি অ্যান্টিব্যাকটেরিয়াল কাঁচামাল হিসাবে ব্যবহার করা হয়েছিল এবং একটি স্টেইনলেস স্টিল প্লেট (SUS304) কোল্ড স্প্রে কোটিং করা হয়েছিল। থার্মাল স্প্রে প্রযুক্তি সিরিজের মধ্যে কোটিং-এর জন্য কোল্ড স্প্রে পদ্ধতিটি বেছে নেওয়া হয়েছিল, কারণ এটি থার্মাল স্প্রে প্রযুক্তি সিরিজের সবচেয়ে কার্যকর পদ্ধতি, যা অ্যামরফাস এবং ন্যানোক্রিস্টালাইন পাউডারের মতো ধাতব মেটাস্টেবল তাপ-সংবেদনশীল পদার্থের জন্য ব্যবহার করা যেতে পারে, যেগুলো ফেজ ট্রানজিশনের শিকার হয় না। এই পদ্ধতিটি বেছে নেওয়ার প্রধান কারণ এটিই। কোল্ড ডিপোজিশন প্রক্রিয়াটি উচ্চ-গতির কণা ব্যবহার করে সম্পন্ন করা হয়, যা সাবস্ট্রেট বা পূর্বে জমা হওয়া কণার সাথে সংঘর্ষের ফলে কণাগুলির গতিশক্তিকে প্লাস্টিক বিকৃতি, পরিবর্তন এবং তাপে রূপান্তরিত করে।
মাঠের ছবিগুলোতে ৫৫০°C তাপমাত্রায় MG/SUS 304-এর পরপর পাঁচটি প্রস্তুতির জন্য ব্যবহৃত কোল্ড স্প্রে পদ্ধতি দেখানো হয়েছে।
আবরণ গঠনের সময় কণাগুলির গতিশক্তি, সেইসাথে প্রতিটি কণার ভরবেগ, অবশ্যই প্লাস্টিক বিকৃতি (ম্যাট্রিক্সে প্রাথমিক কণা এবং আন্তঃকণা মিথস্ক্রিয়া এবং কণাগুলির মিথস্ক্রিয়া), কঠিন পদার্থের আন্তঃস্থায়ী গিঁট, কণাগুলির মধ্যে ঘূর্ণন, বিকৃতি এবং সীমিত তাপায়নের মতো প্রক্রিয়াগুলির মাধ্যমে অন্যান্য ধরণের শক্তিতে রূপান্তরিত হতে হবে 39। এছাড়াও, যদি আগত সমস্ত গতিশক্তি তাপ শক্তি এবং বিকৃতি শক্তিতে রূপান্তরিত না হয়, তাহলে ফলাফল হবে একটি স্থিতিস্থাপক সংঘর্ষ, যার অর্থ হল কণাগুলি সংঘর্ষের পরে কেবল ছিটকে যায়। এটি লক্ষ্য করা গেছে যে কণা/সাবস্ট্রেট উপাদানে প্রয়োগ করা সংঘর্ষ শক্তির 90% স্থানীয় তাপে রূপান্তরিত হয় 40। এছাড়াও, যখন সংঘর্ষজনিত পীড়ন প্রয়োগ করা হয়, তখন খুব অল্প সময়ের মধ্যে কণা/সাবস্ট্রেট সংযোগ অঞ্চলে উচ্চ প্লাস্টিক স্ট্রেইন হার অর্জিত হয় 41,42।
প্লাস্টিক বিকৃতিকে সাধারণত শক্তি ক্ষয়ের একটি প্রক্রিয়া, অথবা বলা যায়, আন্তঃপৃষ্ঠীয় অঞ্চলে একটি তাপের উৎস হিসেবে বিবেচনা করা হয়। তবে, আন্তঃপৃষ্ঠীয় অঞ্চলের তাপমাত্রার বৃদ্ধি সাধারণত আন্তঃপৃষ্ঠীয় গলন ঘটার জন্য বা পরমাণুগুলোর পারস্পরিক ব্যাপনকে উল্লেখযোগ্যভাবে উদ্দীপিত করার জন্য যথেষ্ট হয় না। লেখকদের জানা মতে, কোল্ড স্প্রে কৌশল ব্যবহার করার সময় পাউডারের আসঞ্জন এবং অধঃক্ষেপণের উপর এই ধাতব কাঁচসদৃশ পাউডারগুলোর বৈশিষ্ট্যের প্রভাব নিয়ে কোনো প্রকাশনায় অনুসন্ধান করা হয়নি।
চিত্র ১২ক-তে MG Cu50Zr20Ni30 অ্যালয় পাউডারের BFI দেখা যায়, যা SUS 304 সাবস্ট্রেটের (চিত্র ১১, ১২খ) উপর জমা করা হয়েছিল। চিত্র থেকে যেমন দেখা যায়, প্রলেপযুক্ত পাউডারগুলো তাদের মূল অ্যামরফাস কাঠামো ধরে রাখে, কারণ এগুলোর মধ্যে কোনো ক্রিস্টালাইন বৈশিষ্ট্য বা ল্যাটিস ত্রুটি ছাড়াই একটি সূক্ষ্ম ল্যাবিরিন্থ কাঠামো রয়েছে। অন্যদিকে, চিত্রটি একটি বহিরাগত দশার উপস্থিতি নির্দেশ করে, যার প্রমাণ হলো MG-প্রলেপযুক্ত পাউডার ম্যাট্রিক্সে অন্তর্ভুক্ত ন্যানো পার্টিকেলগুলো (চিত্র ১২ক)। চিত্র ১২গ অঞ্চল I (চিত্র ১২ক)-এর সাথে সম্পর্কিত ইনডেক্সড ন্যানোবিম ডিফ্র্যাকশন প্যাটার্ন (NBDP) দেখায়। চিত্র ১২গ-তে যেমন দেখানো হয়েছে, NBDP অ্যামরফাস কাঠামোর একটি দুর্বল হ্যালো-ডিফিউশন প্যাটার্ন প্রদর্শন করে এবং একটি ক্রিস্টালাইন বৃহৎ কিউবিক মেটাস্টেবল Zr2Ni দশা ও একটি টেট্রাগোনাল CuO দশার সাথে সঙ্গতিপূর্ণ তীক্ষ্ণ স্পটগুলোর সহাবস্থান করে। স্প্রে গানের নজল থেকে খোলা বাতাসে সুপারসনিক প্রবাহে SUS 304-এর দিকে যাওয়ার সময় পাউডারের জারণের মাধ্যমে CuO-এর গঠন ব্যাখ্যা করা যায়। অন্যদিকে, ৫৫০°C তাপমাত্রায় ৩০ মিনিট ধরে কোল্ড স্প্রে ট্রিটমেন্টের পর ধাতব কাঁচসদৃশ পাউডারের ডিভিট্রিফিকেশনের ফলে বৃহৎ কিউবিক ফেজ গঠিত হয়।
(ক) (খ) SUS 304 সাবস্ট্রেটের উপর জমা করা MG পাউডারের FE-HRTEM চিত্র (চিত্র ইনসেট)। (ক)-তে দেখানো গোলাকার প্রতীকটির NBDP সূচক (গ)-তে দেখানো হয়েছে।
বৃহৎ ঘনকাকৃতির Zr2Ni ন্যানোকণা গঠনের এই সম্ভাব্য প্রক্রিয়াটি যাচাই করার জন্য একটি স্বতন্ত্র পরীক্ষা চালানো হয়েছিল। এই পরীক্ষায়, একটি অ্যাটোমাইজার থেকে ৫৫০°C তাপমাত্রায় SUS 304 সাবস্ট্রেটের দিকে পাউডার স্প্রে করা হয়েছিল; তবে, অ্যানিলিং প্রভাব নির্ধারণ করার জন্য, পাউডারগুলো SUS304 স্ট্রিপ থেকে যত দ্রুত সম্ভব (প্রায় ৬০ সেকেন্ডে) সরিয়ে ফেলা হয়েছিল। আরেকটি ধারাবাহিক পরীক্ষা চালানো হয়েছিল যেখানে প্রয়োগের প্রায় ১৮০ সেকেন্ড পরে সাবস্ট্রেট থেকে পাউডার সরিয়ে ফেলা হয়েছিল।
চিত্র ১৩ক ও ১৩খ-তে যথাক্রমে ৬০ সেকেন্ড এবং ১৮০ সেকেন্ড ধরে SUS 304 সাবস্ট্রেটের উপর জমা করা দুটি স্পাটার্ড উপাদানের স্ক্যানিং ট্রান্সমিশন ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি (STEM) ডার্ক ফিল্ড (DFI) চিত্র দেখানো হয়েছে। ৬০ সেকেন্ড ধরে জমা করা পাউডারের চিত্রে গঠনগত বিবরণের অভাব রয়েছে এবং এটি বৈশিষ্ট্যহীন (চিত্র ১৩ক)। এটি XRD দ্বারাও নিশ্চিত করা হয়েছে, যা দেখিয়েছে যে এই পাউডারগুলির সামগ্রিক গঠন ছিল অ্যামরফাস, যেমনটি চিত্র ১৪ক-তে দেখানো প্রশস্ত প্রাথমিক এবং মাধ্যমিক ডিফ্র্যাকশন পিক দ্বারা নির্দেশিত। এটি মেটাস্টেবল/মেসোফেজ অধঃক্ষেপের অনুপস্থিতি নির্দেশ করে, যেখানে পাউডারটি তার মূল অ্যামরফাস গঠন ধরে রাখে। এর বিপরীতে, একই তাপমাত্রায় (৫৫০°C) জমা করা কিন্তু ১৮০ সেকেন্ড ধরে সাবস্ট্রেটের উপর রাখা পাউডারটিতে ন্যানো-আকারের দানার জমা দেখা গেছে, যেমনটি চিত্র ১৩খ-তে তীরচিহ্ন দ্বারা দেখানো হয়েছে।