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बायोफिल्म दीर्घकालिक संक्रमणों के विकास में एक महत्वपूर्ण घटक है, विशेष रूप से चिकित्सा उपकरणों के संदर्भ में। यह समस्या चिकित्सा जगत के लिए एक बड़ी चुनौती है, क्योंकि मानक एंटीबायोटिक्स बायोफिल्म को केवल सीमित हद तक ही नष्ट कर सकते हैं। बायोफिल्म निर्माण की रोकथाम ने विभिन्न कोटिंग विधियों और नई सामग्रियों के विकास को जन्म दिया है। इन तकनीकों का उद्देश्य सतहों को इस प्रकार लेपित करना है जिससे बायोफिल्म का निर्माण रोका जा सके। कांच के धातु मिश्रधातु, विशेष रूप से तांबा और टाइटेनियम धातु युक्त मिश्रधातु, आदर्श रोगाणुरोधी कोटिंग बन गए हैं। साथ ही, कोल्ड स्प्रे तकनीक का उपयोग भी बढ़ा है क्योंकि यह तापमान संवेदनशील सामग्रियों के प्रसंस्करण के लिए एक उपयुक्त विधि है। इस शोध का एक लक्ष्य यांत्रिक मिश्रधातु तकनीकों का उपयोग करके Cu-Zr-Ni त्रिगुणीय मिश्रण से बनी एक नई जीवाणुरोधी फिल्म मेटैलिक ग्लास विकसित करना था। अंतिम उत्पाद बनाने वाले गोलाकार पाउडर का उपयोग कम तापमान पर स्टेनलेस स्टील की सतहों पर कोल्ड स्प्रे करने के लिए कच्चे माल के रूप में किया जाता है। मेटैलिक ग्लास लेपित सब्सट्रेट स्टेनलेस स्टील की तुलना में बायोफिल्म निर्माण को कम से कम 1 लॉग तक काफी हद तक कम करने में सक्षम थे।
मानव इतिहास में, हर समाज अपनी विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए नए पदार्थों का विकास और प्रचार करने में सक्षम रहा है, जिसके परिणामस्वरूप उत्पादकता में वृद्धि हुई है और वैश्वीकृत अर्थव्यवस्था में उसकी स्थिति बेहतर हुई है।¹ यह हमेशा से ही मानव की पदार्थ और विनिर्माण उपकरण डिजाइन करने की क्षमता, साथ ही पदार्थों के निर्माण और उनकी विशेषताओं का निर्धारण करने की क्षमता के कारण ही संभव हो पाया है, जिससे स्वास्थ्य, शिक्षा, उद्योग, अर्थव्यवस्था, संस्कृति और अन्य क्षेत्रों में एक देश या क्षेत्र से दूसरे देश या क्षेत्र तक प्रगति का मापन होता है।² पिछले 60 वर्षों से, पदार्थ वैज्ञानिकों ने अपना काफी समय एक मुख्य कार्य में लगाया है: नए और उन्नत पदार्थों की खोज। हाल के शोध में मौजूदा पदार्थों की गुणवत्ता और प्रदर्शन में सुधार के साथ-साथ पूरी तरह से नए प्रकार के पदार्थों के संश्लेषण और आविष्कार पर ध्यान केंद्रित किया गया है।
मिश्रधातु तत्वों के समावेश, पदार्थ की सूक्ष्म संरचना में संशोधन और ऊष्मीय, यांत्रिक या ऊष्मायांत्रिक उपचार विधियों के अनुप्रयोग से विभिन्न पदार्थों के यांत्रिक, रासायनिक और भौतिक गुणों में उल्लेखनीय सुधार हुआ है। इसके अतिरिक्त, अब तक अज्ञात यौगिकों का सफलतापूर्वक संश्लेषण किया गया है। इन निरंतर प्रयासों से नवोन्मेषी पदार्थों का एक नया वर्ग विकसित हुआ है, जिसे सामूहिक रूप से उन्नत पदार्थ2 के रूप में जाना जाता है। नैनोक्रिस्टल, नैनोकण, नैनोट्यूब, क्वांटम डॉट्स, शून्य-आयामी, अनाकार धात्विक काँच और उच्च-एंट्रॉपी मिश्रधातु उन्नत पदार्थों के कुछ उदाहरण हैं जो पिछली शताब्दी के मध्य से विश्व में प्रकट हुए हैं। बेहतर गुणों वाले नए मिश्रधातुओं के निर्माण और विकास में, अंतिम उत्पाद और उसके उत्पादन के मध्यवर्ती चरणों दोनों में, असंतुलन की समस्या अक्सर सामने आती है। संतुलन से महत्वपूर्ण विचलन की अनुमति देने वाली नई निर्माण तकनीकों के परिचय के परिणामस्वरूप, धात्विक काँच के रूप में ज्ञात मेटास्टेबल मिश्रधातुओं का एक संपूर्ण नया वर्ग खोजा गया है।
1960 में कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (कैलिफोर्निया टेक्नीशियन) में उनके कार्य ने धातु मिश्र धातुओं की अवधारणा में क्रांति ला दी, जब उन्होंने लगभग दस लाख डिग्री प्रति सेकंड की दर से तरल पदार्थों को तेजी से ठोस बनाकर Au-25 परमाणु% Si के काँचनुमा मिश्र धातुओं का संश्लेषण किया। 4 प्रोफेसर पॉल डुवेस की खोज ने न केवल धातु काँच (MS) के इतिहास की शुरुआत की, बल्कि धातु मिश्र धातुओं के बारे में लोगों की सोच में भी एक बड़ा बदलाव लाया। MS मिश्र धातुओं के संश्लेषण में पहले अग्रणी शोध के बाद से, लगभग सभी धात्विक काँच निम्नलिखित विधियों में से किसी एक का उपयोग करके पूरी तरह से प्राप्त किए गए हैं: (i) पिघले हुए पदार्थ या वाष्प का तीव्र ठोसकरण, (ii) परमाणु जाली विकार, (iii) शुद्ध धात्विक तत्वों के बीच ठोस-अवस्था अमोर्फाइजेशन प्रतिक्रियाएं और (iv) मेटास्टेबल चरणों का ठोस चरण संक्रमण।
MG की विशेषता क्रिस्टलों से जुड़े दीर्घ-श्रेणी परमाणु क्रम की अनुपस्थिति है, जो क्रिस्टलों की एक परिभाषित विशेषता है। आधुनिक दुनिया में, धात्विक कांच के क्षेत्र में बहुत प्रगति हुई है। ये नए पदार्थ हैं जिनमें दिलचस्प गुण हैं जो न केवल ठोस अवस्था भौतिकी के लिए, बल्कि धातु विज्ञान, सतह रसायन विज्ञान, प्रौद्योगिकी, जीव विज्ञान और कई अन्य क्षेत्रों के लिए भी महत्वपूर्ण हैं। इस नए प्रकार के पदार्थ में कठोर धातुओं से भिन्न गुण होते हैं, जो इसे विभिन्न क्षेत्रों में तकनीकी अनुप्रयोगों के लिए एक आकर्षक उम्मीदवार बनाते हैं। इनमें कुछ महत्वपूर्ण गुण हैं: (i) उच्च यांत्रिक तन्यता और उपज शक्ति, (ii) उच्च चुंबकीय पारगम्यता, (iii) कम बलपूर्वकता, (iv) असाधारण संक्षारण प्रतिरोध, (v) तापमान से अप्रभावितता। चालकता 6.7।
मैकेनिकल एलॉयिंग (MA)1,8 एक अपेक्षाकृत नई विधि है, जिसे पहली बार 19839 में प्रो. के.के. कोक और उनके सहयोगियों द्वारा प्रस्तुत किया गया था। उन्होंने कमरे के तापमान के बहुत करीब परिवेशी तापमान पर शुद्ध तत्वों के मिश्रण को पीसकर अक्रिस्टलीय Ni60Nb40 पाउडर तैयार किए। आमतौर पर, MA अभिक्रिया एक रिएक्टर में अभिकारक पाउडर के विसरण बंधन द्वारा की जाती है, जो आमतौर पर स्टेनलेस स्टील से बना होता है और बॉल मिल में चलाया जाता है। 10 (चित्र 1a, b)। तब से, इस यांत्रिक रूप से प्रेरित ठोस अवस्था अभिक्रिया विधि का उपयोग कम (चित्र 1c) और उच्च ऊर्जा वाले बॉल मिलों और रॉड मिलों11,12,13,14,15,16 का उपयोग करके नए अक्रिस्टलीय/धात्विक कांच मिश्रधातु पाउडर तैयार करने के लिए किया गया है। विशेष रूप से, इस विधि का उपयोग Cu-Ta17 जैसी अमिश्रणीय प्रणालियों के साथ-साथ Al-संक्रमण धातु (TM, Zr, Hf, Nb और Ta)18,19 और Fe-W20 प्रणालियों जैसी उच्च गलनांक मिश्र धातुओं को तैयार करने के लिए किया गया है। जिसे पारंपरिक खाना पकाने की विधियों से प्राप्त नहीं किया जा सकता है। इसके अलावा, MA को धातु ऑक्साइड, कार्बाइड, नाइट्राइड, हाइड्राइड, कार्बन नैनोट्यूब, नैनोडायमंड के नैनोक्रिस्टलाइन और नैनोकम्पोजिट पाउडर कणों के औद्योगिक पैमाने पर उत्पादन के साथ-साथ टॉप-डाउन दृष्टिकोण का उपयोग करके व्यापक स्थिरीकरण के लिए सबसे शक्तिशाली नैनोतकनीकी उपकरणों में से एक माना जाता है। 1 और मेटास्टेबल चरण।
इस अध्ययन में Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 मेटैलिक ग्लास कोटिंग तैयार करने के लिए उपयोग की गई निर्माण विधि को दर्शाने वाला आरेख। (a) कम ऊर्जा वाली बॉल मिलिंग विधि का उपयोग करके Ni x (x; 10, 20, 30, और 40 परमाणु%) की विभिन्न सांद्रताओं वाले MC मिश्र धातु पाउडर का निर्माण। (a) प्रारंभिक सामग्री को टूल स्टील गेंदों के साथ एक टूल सिलेंडर में लोड किया जाता है और (b) इसे हीलियम वातावरण से भरे ग्लोव बॉक्स में सील कर दिया जाता है। (c) पीसने के दौरान गेंद की गति को दर्शाने वाला ग्राइंडिंग वेसल का पारदर्शी मॉडल। 50 घंटे के बाद प्राप्त अंतिम पाउडर उत्पाद का उपयोग SUS 304 सब्सट्रेट पर कोल्ड स्प्रे कोटिंग के लिए किया गया (d)।
जब बात थोक सामग्री की सतहों (सब्सट्रेट) की आती है, तो सतह अभियांत्रिकी में सतहों (सब्सट्रेट) का डिज़ाइन और संशोधन शामिल होता है ताकि कुछ ऐसे भौतिक, रासायनिक और तकनीकी गुण प्रदान किए जा सकें जो मूल थोक सामग्री में मौजूद नहीं होते। सतह उपचार के माध्यम से जिन गुणों को प्रभावी ढंग से बेहतर बनाया जा सकता है, उनमें घर्षण, ऑक्सीकरण और संक्षारण प्रतिरोध, घर्षण गुणांक, जैव-अक्रियता, विद्युत गुण और ऊष्मीय इन्सुलेशन आदि शामिल हैं। सतह की गुणवत्ता को धातुकर्म, यांत्रिक या रासायनिक विधियों द्वारा सुधारा जा सकता है। एक सुप्रसिद्ध प्रक्रिया के रूप में, कोटिंग को सरल शब्दों में किसी अन्य सामग्री से बनी थोक वस्तु (सब्सट्रेट) की सतह पर कृत्रिम रूप से लगाई गई सामग्री की एक या अधिक परतों के रूप में परिभाषित किया जाता है। इस प्रकार, कोटिंग्स का उपयोग वांछित तकनीकी या सजावटी गुणों को प्राप्त करने के साथ-साथ पर्यावरण के साथ अपेक्षित रासायनिक और भौतिक अंतःक्रियाओं से सामग्रियों की रक्षा करने के लिए किया जाता है।23
कुछ माइक्रोमीटर (10-20 माइक्रोमीटर से कम) से लेकर 30 माइक्रोमीटर या कई मिलीमीटर मोटाई तक की उपयुक्त सुरक्षात्मक परतें लगाने के लिए विभिन्न विधियों और तकनीकों का उपयोग किया जा सकता है। सामान्य तौर पर, कोटिंग प्रक्रियाओं को दो श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: (i) गीली कोटिंग विधियाँ, जिनमें इलेक्ट्रोप्लेटिंग, इलेक्ट्रोप्लेटिंग और हॉट डिप गैल्वनाइजिंग शामिल हैं, और (ii) सूखी कोटिंग विधियाँ, जिनमें सोल्डरिंग, हार्डफेसिंग, फिजिकल वेपर डिपोजिशन (PVD), केमिकल वेपर डिपोजिशन (CVD), थर्मल स्प्रे तकनीकें और हाल ही में कोल्ड स्प्रे तकनीकें शामिल हैं 24 (चित्र 1d)।
बायोफिल्म को सूक्ष्मजीवों के ऐसे समुदायों के रूप में परिभाषित किया जाता है जो सतहों से अपरिवर्तनीय रूप से जुड़े होते हैं और स्व-निर्मित बाह्यकोशिकीय पॉलिमर (ईपीएस) से घिरे होते हैं। सतही रूप से परिपक्व बायोफिल्म का निर्माण खाद्य प्रसंस्करण, जल प्रणालियों और स्वास्थ्य सेवा सहित कई उद्योगों में महत्वपूर्ण नुकसान का कारण बन सकता है। मनुष्यों में, बायोफिल्म के निर्माण के साथ, 80% से अधिक सूक्ष्मजीव संक्रमणों (एंटेरोबैक्टीरियासी और स्टैफिलोकोकी सहित) के मामलों का उपचार कठिन हो जाता है। इसके अलावा, परिपक्व बायोफिल्म को प्लैंकटोनिक जीवाणु कोशिकाओं की तुलना में एंटीबायोटिक उपचार के प्रति 1000 गुना अधिक प्रतिरोधी पाया गया है, जिसे एक प्रमुख चिकित्सीय चुनौती माना जाता है। ऐतिहासिक रूप से, सामान्य कार्बनिक यौगिकों से प्राप्त रोगाणुरोधी सतह कोटिंग सामग्री का उपयोग किया जाता रहा है। हालांकि ऐसी सामग्रियों में अक्सर विषाक्त घटक होते हैं जो मनुष्यों के लिए संभावित रूप से हानिकारक हो सकते हैं,25,26 यह जीवाणु संचरण और सामग्री क्षरण को रोकने में मदद कर सकता है।
बायोफिल्म निर्माण के कारण एंटीबायोटिक उपचार के प्रति बैक्टीरिया के व्यापक प्रतिरोध ने एक प्रभावी रोगाणुरोधी झिल्ली लेपित सतह विकसित करने की आवश्यकता को जन्म दिया है जिसे सुरक्षित रूप से लगाया जा सके।27 इस प्रक्रिया में पहला दृष्टिकोण एक ऐसी भौतिक या रासायनिक असंलग्न सतह का विकास है जिससे जीवाणु कोशिकाएं चिपक नहीं सकतीं और आसंजन के कारण बायोफिल्म नहीं बना सकतीं।27 दूसरी तकनीक ऐसी कोटिंग्स विकसित करना है जो रोगाणुरोधी रसायनों को ठीक उसी स्थान पर पहुंचाती हैं जहां उनकी आवश्यकता होती है, अत्यधिक केंद्रित और अनुकूलित मात्रा में। यह बैक्टीरिया-प्रतिरोधी ग्रेफीन/जर्मेनियम28, ब्लैक डायमंड29 और ZnO30-मिश्रित डायमंड-लाइक कार्बन कोटिंग्स जैसी अद्वितीय कोटिंग सामग्री के विकास के माध्यम से प्राप्त किया जाता है, एक ऐसी तकनीक जो बायोफिल्म निर्माण के कारण विषाक्तता और प्रतिरोध के विकास को अधिकतम करती है। इसके अलावा, जीवाणु संदूषण से दीर्घकालिक सुरक्षा प्रदान करने वाले रोगाणुनाशक रसायनों वाली कोटिंग्स तेजी से लोकप्रिय हो रही हैं। हालांकि तीनों प्रक्रियाएं लेपित सतहों पर रोगाणुरोधी गतिविधि करने में सक्षम हैं, प्रत्येक की अपनी सीमाएं हैं जिन पर अनुप्रयोग रणनीति विकसित करते समय विचार किया जाना चाहिए।
वर्तमान में बाज़ार में उपलब्ध उत्पादों की सफलता में जैविक रूप से सक्रिय तत्वों के लिए सुरक्षात्मक कोटिंग्स का विश्लेषण और परीक्षण करने हेतु समय की कमी एक बड़ी बाधा है। कंपनियां दावा करती हैं कि उनके उत्पाद उपयोगकर्ताओं को वांछित कार्यात्मक लाभ प्रदान करेंगे, हालांकि, यह वर्तमान में बाज़ार में मौजूद उत्पादों की सफलता में एक रुकावट बन गया है। उपभोक्ताओं के लिए उपलब्ध अधिकांश रोगाणुरोधी पदार्थों में चांदी से व्युत्पन्न यौगिकों का उपयोग किया जाता है। ये उत्पाद उपयोगकर्ताओं को सूक्ष्मजीवों के संभावित हानिकारक संपर्क से बचाने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। चांदी के यौगिकों के विलंबित रोगाणुरोधी प्रभाव और संबंधित विषाक्तता के कारण शोधकर्ताओं पर कम हानिकारक विकल्प विकसित करने का दबाव बढ़ गया है।36,37 एक ऐसा वैश्विक रोगाणुरोधी कोटिंग बनाना जो अंदर और बाहर दोनों तरह से काम करे, एक चुनौती बना हुआ है। इससे संबंधित स्वास्थ्य और सुरक्षा जोखिम भी जुड़े हुए हैं। मनुष्यों के लिए कम हानिकारक रोगाणुरोधी एजेंट की खोज करना और इसे लंबे समय तक चलने वाले कोटिंग सब्सट्रेट में शामिल करने का तरीका खोजना एक बहुत ही वांछित लक्ष्य है।38 नवीनतम रोगाणुरोधी और एंटीबायोफिल्म सामग्री को बैक्टीरिया को निकट से मारने के लिए डिज़ाइन किया गया है, या तो सीधे संपर्क द्वारा या सक्रिय एजेंट के रिलीज होने के बाद। वे प्रारंभिक जीवाणु आसंजन को बाधित करके (जिसमें सतह पर प्रोटीन परत के निर्माण को रोकना शामिल है) या कोशिका भित्ति में हस्तक्षेप करके जीवाणुओं को मारकर ऐसा कर सकते हैं।
मूलतः, सतह कोटिंग किसी घटक की सतह पर एक और परत चढ़ाने की प्रक्रिया है, जिससे सतह की विशेषताओं में सुधार होता है। सतह कोटिंग का उद्देश्य घटक के सतह के निकटवर्ती क्षेत्र की सूक्ष्म संरचना और/या संघटन को बदलना है।39 सतह कोटिंग विधियों को विभिन्न विधियों में विभाजित किया जा सकता है, जिन्हें चित्र 2a में संक्षेप में दर्शाया गया है। कोटिंग को बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली विधि के आधार पर, कोटिंग को तापीय, रासायनिक, भौतिक और विद्युत रासायनिक श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है।
(a) एक संलग्न चित्र जिसमें सतह निर्माण की मुख्य तकनीकें दिखाई गई हैं, और (b) कोल्ड स्प्रे विधि के कुछ चुनिंदा फायदे और नुकसान।
कोल्ड स्प्रे तकनीक में पारंपरिक थर्मल स्प्रे तकनीकों के साथ कई समानताएं हैं। हालांकि, कुछ प्रमुख मूलभूत गुण भी हैं जो कोल्ड स्प्रे प्रक्रिया और कोल्ड स्प्रे सामग्रियों को विशेष रूप से अद्वितीय बनाते हैं। कोल्ड स्प्रे तकनीक अभी प्रारंभिक अवस्था में है, लेकिन इसका भविष्य उज्ज्वल है। कुछ मामलों में, कोल्ड स्प्रे के अद्वितीय गुण पारंपरिक थर्मल स्प्रे तकनीकों की सीमाओं को दूर करते हुए बड़े लाभ प्रदान करते हैं। यह पारंपरिक थर्मल स्प्रे तकनीक की महत्वपूर्ण सीमाओं को दूर करता है, जिसमें पाउडर को सब्सट्रेट पर जमा करने के लिए पिघलाना पड़ता है। स्पष्ट रूप से, यह पारंपरिक कोटिंग प्रक्रिया नैनोक्रिस्टल, नैनोकणों, अनाकार और धात्विक कांच40, 41, 42 जैसी अत्यधिक तापमान संवेदनशील सामग्रियों के लिए उपयुक्त नहीं है। इसके अलावा, थर्मल स्प्रे कोटिंग सामग्रियों में हमेशा उच्च स्तर की सरंध्रता और ऑक्साइड होते हैं। कोल्ड स्प्रे तकनीक के थर्मल स्प्रे तकनीक की तुलना में कई महत्वपूर्ण लाभ हैं, जैसे (i) सब्सट्रेट में न्यूनतम ऊष्मा इनपुट, (ii) सब्सट्रेट कोटिंग के चयन में लचीलापन, (iii) कोई चरण परिवर्तन और कण वृद्धि नहीं, (iv) उच्च आसंजक शक्ति1.39 (चित्र 2b)। इसके अतिरिक्त, कोल्ड स्प्रे कोटिंग सामग्री में उच्च संक्षारण प्रतिरोध, उच्च शक्ति और कठोरता, उच्च विद्युत चालकता और उच्च घनत्व होता है।41 कोल्ड स्प्रे प्रक्रिया के फायदों के बावजूद, इस विधि में कुछ कमियां भी हैं, जैसा कि चित्र 2b में दिखाया गया है। Al2O3, TiO2, ZrO2, WC आदि जैसे शुद्ध सिरेमिक पाउडर की कोटिंग करते समय कोल्ड स्प्रे विधि का उपयोग नहीं किया जा सकता है। दूसरी ओर, सिरेमिक/धातु मिश्रित पाउडर को कोटिंग के लिए कच्चे माल के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। अन्य थर्मल स्प्रेइंग विधियों के लिए भी यही बात लागू होती है। कठिन सतहों और पाइप के अंदरूनी हिस्सों पर स्प्रे करना अभी भी मुश्किल है।
चूंकि प्रस्तुत कार्य कोटिंग्स के लिए प्रारंभिक सामग्री के रूप में धात्विक कांचनुमा पाउडर के उपयोग पर केंद्रित है, इसलिए यह स्पष्ट है कि इस उद्देश्य के लिए पारंपरिक थर्मल स्प्रेइंग का उपयोग नहीं किया जा सकता है। इसका कारण यह है कि धात्विक कांचनुमा पाउडर उच्च तापमान पर क्रिस्टलीकृत हो जाते हैं।
चिकित्सा और खाद्य उद्योगों में उपयोग किए जाने वाले अधिकांश उपकरण ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील मिश्र धातुओं (SUS316 और SUS304) से बने होते हैं, जिनमें शल्य चिकित्सा उपकरणों के उत्पादन के लिए 12 से 20 भार प्रतिशत क्रोमियम की मात्रा होती है। यह सर्वविदित है कि स्टील मिश्र धातुओं में क्रोमियम धातु का मिश्रधातु तत्व के रूप में उपयोग मानक स्टील मिश्र धातुओं के संक्षारण प्रतिरोध को काफी हद तक सुधार सकता है। स्टेनलेस स्टील मिश्र धातुओं में उच्च संक्षारण प्रतिरोध होने के बावजूद, उनमें महत्वपूर्ण रोगाणुरोधी गुण नहीं होते हैं38,39। यह उनके उच्च संक्षारण प्रतिरोध के विपरीत है। इसके परिणामस्वरूप, संक्रमण और सूजन के विकास की संभावना रहती है, जो मुख्य रूप से स्टेनलेस स्टील जैव-सामग्रियों की सतह पर जीवाणुओं के चिपकने और उपनिवेशीकरण के कारण होती है। जीवाणुओं के चिपकने और बायोफिल्म निर्माण प्रक्रियाओं से जुड़ी महत्वपूर्ण कठिनाइयों के कारण गंभीर समस्याएं उत्पन्न हो सकती हैं, जो खराब स्वास्थ्य का कारण बन सकती हैं और इसके कई परिणाम हो सकते हैं जो प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष रूप से मानव स्वास्थ्य को प्रभावित कर सकते हैं।
यह अध्ययन कुवैत फाउंडेशन फॉर द एडवांसमेंट ऑफ साइंस (केएफएएस) द्वारा वित्त पोषित परियोजना का पहला चरण है, जिसका अनुबंध संख्या 2010-550401 है। इस परियोजना का उद्देश्य एमए तकनीक (तालिका 1) का उपयोग करके धात्विक काँचनुमा Cu-Zr-Ni त्रिगुणीय पाउडर के उत्पादन की व्यवहार्यता की जाँच करना है। इसका उद्देश्य SUS304 जीवाणुरोधी सतह सुरक्षा फिल्म/कोटिंग का उत्पादन करना है। परियोजना का दूसरा चरण, जो जनवरी 2023 में शुरू होने वाला है, प्रणाली के गैल्वेनिक संक्षारण गुणों और यांत्रिक गुणों का विस्तृत अध्ययन करेगा। विभिन्न प्रकार के जीवाणुओं के लिए विस्तृत सूक्ष्मजीवविज्ञानी परीक्षण किए जाएँगे।
इस लेख में आकारिकी और संरचनात्मक विशेषताओं के आधार पर, ज़िर मिश्र धातु की मात्रा का कांच निर्माण क्षमता (जीएफए) पर पड़ने वाले प्रभाव का विश्लेषण किया गया है। इसके अतिरिक्त, पाउडर लेपित धातु कांच/SUS304 मिश्रित पदार्थ के जीवाणुरोधी गुणों पर भी चर्चा की गई है। साथ ही, निर्मित धातु कांच प्रणालियों के अतिशीतित तरल क्षेत्र में शीत छिड़काव के दौरान धातु कांच पाउडर के संरचनात्मक परिवर्तन की संभावना का अध्ययन करने के लिए निरंतर कार्य जारी है। इस अध्ययन में Cu50Zr30Ni20 और Cu50Zr20Ni30 धातु कांच मिश्र धातुओं को प्रतिनिधि उदाहरण के रूप में उपयोग किया गया है।
इस खंड में कम ऊर्जा वाली बॉल मिलिंग के दौरान Cu, Zr और Ni तत्वों के पाउडर में होने वाले आकारिकीय परिवर्तनों को दर्शाया गया है। Cu50Zr20Ni30 और Cu50Zr40Ni10 नामक दो अलग-अलग प्रणालियों को उदाहरण के तौर पर इस्तेमाल किया जाएगा। बॉल मिलिंग प्रक्रिया को तीन अलग-अलग चरणों में विभाजित किया जा सकता है, जैसा कि पीसने के चरण में प्राप्त पाउडर के धातुवैज्ञानिक लक्षण वर्णन से स्पष्ट होता है (चित्र 3)।
विभिन्न चरणों की बॉल ग्राइंडिंग के बाद प्राप्त यांत्रिक मिश्र धातुओं (MA) के पाउडर की धातुवैज्ञानिक विशेषताएँ। Cu50Zr20Ni30 प्रणाली के लिए, 3, 12 और 50 घंटे तक कम ऊर्जा वाली बॉल मिलिंग के बाद प्राप्त MA और Cu50Zr40Ni10 पाउडर की फील्ड एमिशन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (FE-SEM) छवियाँ (a), (c) और (e) में दिखाई गई हैं। इसी प्रकार, Cu50Zr40Ni10 प्रणाली की संबंधित छवियाँ (b), (d) और (f) में दिखाई गई हैं।
बॉल मिलिंग के दौरान, धातु पाउडर में स्थानांतरित की जा सकने वाली प्रभावी गतिज ऊर्जा कई मापदंडों के संयोजन से प्रभावित होती है, जैसा कि चित्र 1a में दिखाया गया है। इसमें गेंदों और पाउडर के बीच टकराव, पीसने वाले माध्यमों के बीच फंसे पाउडर का अपरूपण संपीड़न, गिरती गेंदों से प्रभाव, बॉल मिल के गतिशील भागों के बीच पाउडर के खिंचाव के कारण अपरूपण और घिसाव, और भारित कल्चर से होकर गुजरने वाली गिरती गेंदों से होकर गुजरने वाली शॉक वेव शामिल हैं (चित्र 1a)। एलेमीन पोर्क Cu, Zr और Ni были сильно деформированы из-за холодной на ранней стадии МА (3 ч), что привело к образованию крупных पर сварки частиц порошка (> 1 мм в диаметре). प्रारंभिक चरण (3 घंटे) में कोल्ड वेल्डिंग के कारण Cu, Zr और Ni के मौलिक पाउडर गंभीर रूप से विकृत हो गए, जिससे बड़े पाउडर कणों (व्यास में > 1 मिमी) का निर्माण हुआ।ये बड़े मिश्रित कण मिश्रधातु तत्वों (Cu, Zr, Ni) की मोटी परतों के निर्माण से पहचाने जाते हैं, जैसा कि चित्र 3a,b में दिखाया गया है। एमए समय को 12 घंटे (मध्यवर्ती चरण) तक बढ़ाने से बॉल मिल की गतिज ऊर्जा में वृद्धि हुई, जिसके परिणामस्वरूप मिश्रित पाउडर छोटे पाउडर (200 μm से कम) में विघटित हो गया, जैसा कि चित्र 3c,d में दिखाया गया है। इस चरण में, लगाए गए अपरूपण बल के कारण पतली Cu, Zr, Ni परतों वाली एक नई धातु सतह का निर्माण होता है, जैसा कि चित्र 3c,d में दिखाया गया है। फ्लेक्स के इंटरफ़ेस पर परतों के पीसने के परिणामस्वरूप, ठोस-चरण प्रतिक्रियाएं होती हैं और नए चरणों का निर्माण होता है।
एमए प्रक्रिया के चरम पर (50 घंटे के बाद), परतदार धातु विज्ञान मुश्किल से ही दिखाई दे रहा था (चित्र 3e, f), और पाउडर की पॉलिश की हुई सतह पर दर्पण धातु विज्ञान देखा गया। इसका मतलब है कि एमए प्रक्रिया पूरी हो गई थी और एक एकल प्रतिक्रिया चरण बन गया था। चित्र 3e (I, II, III), f, v, vi) में दर्शाए गए क्षेत्रों की मौलिक संरचना को ऊर्जा विसरणीय एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDS) के साथ फील्ड उत्सर्जन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (FE-SEM) का उपयोग करके निर्धारित किया गया था। (IV)।
तालिका 2 में, मिश्रधातु तत्वों की सांद्रता को चित्र 3e और 3f में चयनित प्रत्येक क्षेत्र के कुल द्रव्यमान के प्रतिशत के रूप में दर्शाया गया है। इन परिणामों की तुलना तालिका 1 में दिए गए Cu50Zr20Ni30 और Cu50Zr40Ni10 के प्रारंभिक नाममात्र संघटन से करने पर पता चलता है कि इन दोनों अंतिम उत्पादों का संघटन नाममात्र संघटन के बहुत करीब है। इसके अतिरिक्त, चित्र 3e और 3f में सूचीबद्ध क्षेत्रों के लिए घटकों के सापेक्ष मान एक क्षेत्र से दूसरे क्षेत्र में प्रत्येक नमूने के संघटन में महत्वपूर्ण गिरावट या भिन्नता का संकेत नहीं देते हैं। इसका प्रमाण यह है कि एक क्षेत्र से दूसरे क्षेत्र में संघटन में कोई परिवर्तन नहीं होता है। यह तालिका 2 में दर्शाए गए अनुसार एकसमान मिश्रधातु पाउडर के उत्पादन को इंगित करता है।
Cu50(Zr50-xNix) अंतिम उत्पाद पाउडर के FE-SEM माइक्रोग्राफ 50 MA बार पीसने के बाद प्राप्त किए गए, जैसा कि चित्र 4a-d में दिखाया गया है, जहाँ x क्रमशः 10, 20, 30 और 40 परमाणु प्रतिशत है। इस पीसने की प्रक्रिया के बाद, वैन डेर वाल्स प्रभाव के कारण पाउडर एकत्रित हो जाता है, जिससे 73 से 126 एनएम व्यास वाले अतिसूक्ष्म कणों से बने बड़े समूह बनते हैं, जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है।
50 घंटे के MA ​​के बाद प्राप्त Cu50(Zr50-xNix) पाउडर की रूपात्मक विशेषताएँ। Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 और Cu50Zr10Ni40 प्रणालियों के लिए, 50 घंटे के MA ​​के बाद प्राप्त पाउडर की FE-SEM छवियाँ क्रमशः (a), (b), (c) और (d) में दिखाई गई हैं।
पाउडर को कोल्ड स्प्रे फीडर में डालने से पहले, उन्हें पहले 15 मिनट के लिए विश्लेषणात्मक ग्रेड इथेनॉल में सोनिकेट किया गया और फिर 150°C पर 2 घंटे के लिए सुखाया गया। यह चरण एग्लॉमरेशन को सफलतापूर्वक रोकने के लिए आवश्यक है, जो अक्सर कोटिंग प्रक्रिया में कई गंभीर समस्याएं पैदा करता है। एमए प्रक्रिया पूरी होने के बाद, मिश्र धातु पाउडर की समरूपता की जांच के लिए आगे के अध्ययन किए गए। चित्र 5a-d में Cu50Zr30Ni20 मिश्र धातु के Cu, Zr और Ni मिश्रधातु तत्वों के FE-SEM माइक्रोग्राफ और संबंधित EDS चित्र क्रमशः 50 घंटे के एमए समय के बाद दिखाए गए हैं। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि इस चरण के बाद प्राप्त मिश्र धातु पाउडर समरूप हैं, क्योंकि वे उप-नैनोमीटर स्तर से परे किसी भी संरचनात्मक उतार-चढ़ाव को प्रदर्शित नहीं करते हैं, जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है।
50 MA के बाद प्राप्त MG Cu50Zr30Ni20 पाउडर में तत्वों की आकृति विज्ञान और स्थानीय वितरण का FE-SEM/ऊर्जा प्रकीर्णन एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDS) द्वारा अध्ययन। (a) Cu-Kα, (c) Zr-Lα, और (d) Ni-Kα की SEM और एक्स-रे EDS इमेजिंग।
50 घंटे के यांत्रिक मिश्रधातु प्रक्रिया के बाद प्राप्त Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 और Cu50Zr20Ni30 पाउडर के एक्स-रे विवर्तन पैटर्न क्रमशः चित्र 6a-d में दर्शाए गए हैं। इस पिसाई प्रक्रिया के बाद, विभिन्न Zr सांद्रता वाले सभी नमूनों में विशिष्ट हेलो विसरण पैटर्न के साथ अनाकार संरचनाएं थीं, जैसा कि चित्र 6 में दिखाया गया है।
50 घंटे तक MA प्रक्रिया के बाद Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), और Cu50Zr20Ni30 (d) पाउडर के एक्स-रे विवर्तन पैटर्न। सभी नमूनों में बिना किसी अपवाद के हेलो-डिफ्यूजन पैटर्न देखा गया, जो एक अनाकार अवस्था के निर्माण को दर्शाता है।
विभिन्न एमए समयों पर बॉल मिलिंग से प्राप्त पाउडरों की संरचनात्मक परिवर्तनों का अवलोकन करने और स्थानीय संरचना को समझने के लिए उच्च रिज़ॉल्यूशन फील्ड एमिशन ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (FE-HRTEM) का उपयोग किया गया। Cu50Zr30Ni20 और Cu50Zr40Ni10 पाउडरों की पिसाई के प्रारंभिक (6 घंटे) और मध्यवर्ती (18 घंटे) चरणों के बाद FE-HRTEM विधि द्वारा प्राप्त पाउडरों की छवियां क्रमशः चित्र 7a में दर्शाई गई हैं। 6 घंटे के एमए के बाद प्राप्त पाउडर की ब्राइट-फील्ड छवि (BFI) के अनुसार, पाउडर में fcc-Cu, hcp-Zr और fcc-Ni तत्वों की स्पष्ट रूप से परिभाषित सीमाओं वाले बड़े दाने होते हैं, और किसी भी प्रतिक्रिया चरण के निर्माण के कोई संकेत नहीं हैं, जैसा कि चित्र 7a में दिखाया गया है। इसके अतिरिक्त, मध्य क्षेत्र (a) से लिए गए सहसंबंधित चयनित क्षेत्र विवर्तन पैटर्न (SADP) ने एक तीक्ष्ण विवर्तन पैटर्न (चित्र 7b) दिखाया, जो बड़े क्रिस्टलाइट्स की उपस्थिति और प्रतिक्रियाशील चरण की अनुपस्थिति को दर्शाता है।
प्रारंभिक (6 घंटे) और मध्यवर्ती (18 घंटे) चरणों के बाद प्राप्त एमए पाउडर की स्थानीय संरचनात्मक विशेषताएँ। (a) उच्च रिज़ॉल्यूशन फील्ड एमिशन ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (FE-HRTEM) और (b) 6 घंटे के एमए उपचार के बाद Cu50Zr30Ni20 पाउडर का संबंधित चयनित क्षेत्र विवर्तन आरेख (SADP)। 18 घंटे के एमए के बाद प्राप्त Cu50Zr40Ni10 की FE-HRTEM छवि (c) में दिखाई गई है।
चित्र 7c में दर्शाए अनुसार, MA की अवधि को 18 घंटे तक बढ़ाने से प्लास्टिक विरूपण के साथ-साथ गंभीर जाली दोष उत्पन्न हो गए। MA प्रक्रिया के इस मध्यवर्ती चरण में, पाउडर में कई प्रकार के दोष दिखाई देते हैं, जिनमें स्टैकिंग दोष, जाली दोष और बिंदु दोष शामिल हैं (चित्र 7)। इन दोषों के कारण बड़े दाने, दाने की सीमाओं के साथ-साथ 20 nm से छोटे उप-दाने में टूट जाते हैं (चित्र 7c)।
36 घंटे तक पीसे गए Cu50Z30Ni20 पाउडर की स्थानीय संरचना, एक पतले अनाकार मैट्रिक्स में धंसे हुए अतिसूक्ष्म नैनोकणों के निर्माण से चिह्नित होती है, जैसा कि चित्र 8a में दिखाया गया है। EMF के स्थानीय विश्लेषण से पता चला कि चित्र 8a में दिखाए गए नैनोक्लस्टर अनुपचारित Cu, Zr और Ni पाउडर मिश्र धातुओं से संबंधित हैं। मैट्रिक्स में Cu की मात्रा लगभग 32 परमाणु% (कमजोर क्षेत्र) से लगभग 74 परमाणु% (समृद्ध क्षेत्र) तक भिन्न होती है, जो विषम उत्पादों के निर्माण को इंगित करती है। इसके अतिरिक्त, इस चरण में पीसने के बाद प्राप्त पाउडर के संबंधित SADP, इन अनुपचारित मिश्रधातु तत्वों से जुड़े तीक्ष्ण बिंदुओं के साथ अतिव्यापी प्राथमिक और द्वितीयक हेलो-डिफ्यूजन अनाकार चरण वलय दिखाते हैं, जैसा कि चित्र 8b में दिखाया गया है।
36 घंटे से अधिक समय तक पीसने के बाद प्राप्त Cu50Zr30Ni20 पाउडर की नैनोस्केल स्थानीय संरचनात्मक विशेषताएं। (a) ब्राइट फील्ड इमेज (BFI) और (b) संबंधित SADP, जो 36 घंटे तक पीसने के बाद प्राप्त Cu50Zr30Ni20 पाउडर की है।
MA प्रक्रिया के अंत में (50 घंटे), Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 और 40 परमाणु प्रतिशत पाउडर, बिना किसी अपवाद के, अक्रिस्टलीय अवस्था की भूलभुलैयानुमा आकृति प्रदर्शित करते हैं, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। प्रत्येक संरचना के संबंधित SADS में न तो बिंदु विवर्तन और न ही तीक्ष्ण वलयाकार पैटर्न का पता लगाया जा सका। यह दर्शाता है कि इसमें अनुपचारित क्रिस्टलीय धातु मौजूद नहीं है, बल्कि एक अक्रिस्टलीय मिश्रधातु पाउडर का निर्माण हुआ है। हेलो विसरण पैटर्न दर्शाने वाले इन सहसंबंधित SADPs का उपयोग अंतिम उत्पाद सामग्री में अक्रिस्टलीय अवस्थाओं के विकास के प्रमाण के रूप में भी किया गया था।
Cu50 MS प्रणाली (Zr50-xNix) के अंतिम उत्पाद की स्थानीय संरचना। 50 घंटे के MA ​​के बाद प्राप्त (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30, और (d) Cu50Zr10Ni40 के FE-HRTEM और सहसंबंधित नैनोबीम विवर्तन पैटर्न (NBDP)।
डिफरेंशियल स्कैनिंग कैलोरीमेट्री का उपयोग करते हुए, Cu50(Zr50-xNix) अक्रिस्टलीय प्रणाली में Ni (x) की मात्रा के आधार पर ग्लास ट्रांज़िशन तापमान (Tg), सुपरकूल्ड लिक्विड क्षेत्र (ΔTx) और क्रिस्टलीकरण तापमान (Tx) की तापीय स्थिरता का अध्ययन किया गया। हीलियम गैस प्रवाह में (DSC) गुणधर्मों का अध्ययन किया गया। 50 घंटे के MA ​​के बाद प्राप्त Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 और Cu50Zr10Ni40 अक्रिस्टलीय मिश्र धातुओं के पाउडर के DSC वक्र क्रमशः चित्र 10a, b और e में दर्शाए गए हैं। जबकि अक्रिस्टलीय Cu50Zr20Ni30 का DSC वक्र चित्र 10g में अलग से दिखाया गया है। इसी बीच, DSC में लगभग 700°C तक गर्म किए गए Cu50Zr30Ni20 नमूने को चित्र 10g में दर्शाया गया है।
50 घंटे तक मेटास्टैटिक अभिक्रिया (MA) के बाद प्राप्त Cu50(Zr50-xNix) MG पाउडर की तापीय स्थिरता का निर्धारण काँच संक्रमण तापमान (Tg), क्रिस्टलीकरण तापमान (Tx) और अतिशीतित द्रव क्षेत्र (ΔTx) द्वारा किया जाता है। चित्र में Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), और (e) Cu50Zr10Ni40 MG मिश्रधातु पाउडर के 50 घंटे तक मेटास्टैटिक अभिक्रिया (MA) के बाद प्राप्त डीएससी पाउडर के थर्मोग्राम दर्शाए गए हैं। डीएससी में लगभग 700°C तक गर्म किए गए Cu50Zr30Ni20 नमूने का एक्स-रे विवर्तन पैटर्न (XRD) (d) में दिखाया गया है।
चित्र 10 में दर्शाए अनुसार, विभिन्न निकल सांद्रता (x) वाले सभी संघटकों के लिए DSC वक्र दो अलग-अलग स्थितियों को दर्शाते हैं: एक ऊष्माशोषी और दूसरी ऊष्माक्षेपी। पहली ऊष्माशोषी घटना Tg से संबंधित है, और दूसरी Tx से। Tg और Tx के बीच स्थित क्षैतिज विस्तार क्षेत्र को उपशीतित द्रव क्षेत्र (ΔTx = Tx – Tg) कहा जाता है। परिणाम दर्शाते हैं कि 526°C और 612°C पर रखे गए Cu50Zr40Ni10 नमूने (चित्र 10a) के Tg और Tx, निकल की मात्रा (x) में वृद्धि के साथ क्रमशः 482°C और 563°C के निम्न तापमान पक्ष की ओर 20 परमाणु प्रतिशत तक सामग्री (x) को स्थानांतरित करते हैं, जैसा कि चित्र 10b में दर्शाया गया है। परिणामस्वरूप, Cu50Zr40Ni10 के लिए ΔTx का मान 86°C (चित्र 10a) से घटकर Cu50Zr30Ni20 के लिए 81°C (चित्र 10b) हो जाता है। MC Cu50Zr40Ni10 मिश्रधातु के लिए, Tg, Tx और ΔTx के मानों में क्रमशः 447°C, 526°C और 79°C तक की कमी देखी गई (चित्र 10b)। इससे पता चलता है कि Ni की मात्रा में वृद्धि से MS मिश्रधातु की तापीय स्थिरता में कमी आती है। इसके विपरीत, MC Cu50Zr20Ni30 मिश्रधातु का Tg मान (507°C) MC Cu50Zr40Ni10 मिश्रधातु की तुलना में कम है; फिर भी, इसका Tx मान इसके लगभग बराबर (612°C) है। इसलिए, ΔTx का मान अधिक (87°C) है, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। 10वीं शताब्दी
Cu50(Zr50-xNix) MC प्रणाली, Cu50Zr20Ni30 MC मिश्रधातु को उदाहरण के रूप में लेते हुए, तीव्र ऊष्माक्षेपी शिखर के माध्यम से fcc-ZrCu5, ऑर्थोरोम्बिक-Zr7Cu10 और ऑर्थोरोम्बिक-ZrNi क्रिस्टलीय चरणों में क्रिस्टलीकृत होती है (चित्र 10c)। अनाकार से क्रिस्टलीय में इस चरण संक्रमण की पुष्टि MG नमूने के एक्स-रे विवर्तन विश्लेषण द्वारा की गई (चित्र 10d), जिसे DSC में 700 °C तक गर्म किया गया था।
चित्र 11 में वर्तमान कार्य में किए गए कोल्ड स्प्रे प्रक्रिया के दौरान ली गई तस्वीरें दिखाई गई हैं। इस अध्ययन में, 50 घंटे के थर्मल एडिक्शन (MA) के बाद संश्लेषित धातु के कांच जैसे पाउडर कणों (उदाहरण के तौर पर Cu50Zr20Ni30 का उपयोग करते हुए) को जीवाणुरोधी कच्चे माल के रूप में इस्तेमाल किया गया और एक स्टेनलेस स्टील प्लेट (SUS304) पर कोल्ड स्प्रे कोटिंग की गई। थर्मल स्प्रे तकनीक श्रृंखला में कोटिंग के लिए कोल्ड स्प्रे विधि को इसलिए चुना गया क्योंकि यह थर्मल स्प्रे तकनीक श्रृंखला में सबसे कुशल विधि है, जिसका उपयोग धातु के मेटास्टेबल ऊष्मा संवेदनशील पदार्थों जैसे कि अक्रिस्टलीय और नैनोक्रिस्टलाइन पाउडर के लिए किया जा सकता है, जो चरण संक्रमण के अधीन नहीं होते हैं। यही इस विधि को चुनने का मुख्य कारण है। कोल्ड डिपोजिशन प्रक्रिया में उच्च वेग वाले कणों का उपयोग किया जाता है, जो सब्सट्रेट या पहले से जमा किए गए कणों से टकराने पर कणों की गतिज ऊर्जा को प्लास्टिक विरूपण, विरूपण और ऊष्मा में परिवर्तित करते हैं।
फील्ड फोटोग्राफ में 550°C पर MG/SUS 304 की लगातार पांच तैयारियों के लिए उपयोग की जाने वाली कोल्ड स्प्रे प्रक्रिया को दर्शाया गया है।
कोटिंग के निर्माण के दौरान कणों की गतिज ऊर्जा, साथ ही प्रत्येक कण का संवेग, प्लास्टिक विरूपण (मैट्रिक्स में प्राथमिक कण और अंतरकण अंतःक्रियाएं तथा कणों की अंतःक्रियाएं), ठोस पदार्थों के अंतरालीय गांठें, कणों के बीच घूर्णन, विरूपण और सीमित तापन 39 जैसी प्रक्रियाओं के माध्यम से ऊर्जा के अन्य रूपों में परिवर्तित होना चाहिए। इसके अतिरिक्त, यदि आने वाली सभी गतिज ऊर्जा ऊष्मीय ऊर्जा और विरूपण ऊर्जा में परिवर्तित नहीं होती है, तो परिणाम एक प्रत्यास्थ टक्कर होगी, जिसका अर्थ है कि कण प्रभाव के बाद बस उछल जाते हैं। यह देखा गया है कि कण/सब्सट्रेट सामग्री पर लागू प्रभाव ऊर्जा का 90% स्थानीय ऊष्मा में परिवर्तित हो जाता है 40। इसके अतिरिक्त, जब प्रभाव तनाव लागू होता है, तो कण/सब्सट्रेट संपर्क क्षेत्र में बहुत कम समय में उच्च प्लास्टिक विकृति दर प्राप्त हो जाती है 41,42।
प्लास्टिक विरूपण को आमतौर पर ऊर्जा क्षय की प्रक्रिया, या यों कहें कि अंतरास्थि क्षेत्र में ऊष्मा स्रोत के रूप में माना जाता है। हालांकि, अंतरास्थि क्षेत्र में तापमान में वृद्धि आमतौर पर अंतरास्थि पिघलने या परमाणुओं के पारस्परिक प्रसार को महत्वपूर्ण रूप से प्रेरित करने के लिए पर्याप्त नहीं होती है। लेखकों की जानकारी में किसी भी प्रकाशन ने इन धात्विक कांचनुमा पाउडरों के गुणों के पाउडर के आसंजन और ठंडे स्प्रे तकनीक का उपयोग करते समय होने वाले जमाव पर पड़ने वाले प्रभाव की जांच नहीं की है।
चित्र 12a में MG Cu50Zr20Ni30 मिश्र धातु पाउडर का BFI देखा जा सकता है, जिसे SUS 304 सबस्ट्रेट (चित्र 11, 12b) पर जमा किया गया था। जैसा कि चित्र से देखा जा सकता है, लेपित पाउडर अपनी मूल अनाकार संरचना को बनाए रखते हैं क्योंकि इनमें क्रिस्टलीय विशेषताओं या जाली दोषों के बिना एक नाजुक भूलभुलैया संरचना होती है। दूसरी ओर, चित्र एक बाहरी चरण की उपस्थिति को इंगित करता है, जैसा कि MG-लेपित पाउडर मैट्रिक्स में शामिल नैनोकणों द्वारा प्रमाणित है (चित्र 12a)। चित्र 12c क्षेत्र I (चित्र 12a) से संबंधित अनुक्रमित नैनोबीम विवर्तन पैटर्न (NBDP) दिखाता है। जैसा कि चित्र 12c में दिखाया गया है, NBDP अनाकार संरचना का एक कमजोर हेलो-डिफ्यूजन पैटर्न प्रदर्शित करता है और क्रिस्टलीय बड़े घन मेटास्टेबल Zr2Ni चरण और चतुर्भुज CuO चरण के अनुरूप तेज धब्बों के साथ सह-अस्तित्व में है। CuO का निर्माण स्प्रे गन के नोजल से खुली हवा में सुपरसोनिक प्रवाह में SUS 304 तक पाउडर के संचरण के दौरान ऑक्सीकरण द्वारा समझाया जा सकता है। दूसरी ओर, धातु के कांच जैसे पाउडर के विट्रिफिकेशन के परिणामस्वरूप 550°C पर 30 मिनट के कोल्ड स्प्रे उपचार के बाद बड़े घनाकार चरण बने।
(a) एसयूएस 304 सबस्ट्रेट पर जमा किए गए एमजी पाउडर की एफई-एचआरटीईएम छवि (b) (चित्र इनसेट)। (a) में दर्शाए गए गोल चिह्न का एनबीडीपी सूचकांक (c) में दिखाया गया है।
बड़े घनाकार Zr2Ni नैनोकणों के निर्माण की इस संभावित प्रक्रिया का परीक्षण करने के लिए, एक स्वतंत्र प्रयोग किया गया। इस प्रयोग में, 550°C तापमान पर एक एटमाइज़र से SUS 304 सब्सट्रेट की दिशा में पाउडर का छिड़काव किया गया; हालांकि, एनीलिंग प्रभाव का पता लगाने के लिए, पाउडर को SUS304 पट्टी से यथासंभव शीघ्र (लगभग 60 सेकंड में) हटा दिया गया। प्रयोगों की एक अन्य श्रृंखला भी की गई जिसमें पाउडर को छिड़काव के लगभग 180 सेकंड बाद सब्सट्रेट से हटा दिया गया।
चित्र 13a और 13b में क्रमशः 60 सेकंड और 180 सेकंड के लिए SUS 304 सबस्ट्रेट पर जमा किए गए दो स्पटर किए गए पदार्थों की स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (STEM) डार्क फील्ड (DFI) छवियां दिखाई गई हैं। 60 सेकंड के लिए जमा किए गए पाउडर की छवि में आकारिकीय विवरणों की कमी है, जो इसकी विशेषताओं की कमी को दर्शाती है (चित्र 13a)। इसकी पुष्टि XRD द्वारा भी की गई, जिससे पता चला कि इन पाउडरों की समग्र संरचना अनाकार थी, जैसा कि चित्र 14a में दिखाए गए व्यापक प्राथमिक और द्वितीयक विवर्तन शिखरों से संकेत मिलता है। यह मेटास्टेबल/मेसोफेज अवक्षेपों की अनुपस्थिति को दर्शाता है, जिसमें पाउडर अपनी मूल अनाकार संरचना को बनाए रखता है। इसके विपरीत, समान तापमान (550°C) पर जमा किया गया पाउडर, जिसे सबस्ट्रेट पर 180 सेकंड के लिए छोड़ दिया गया था, उसमें नैनो आकार के कणों का जमाव देखा गया, जैसा कि चित्र 13b में तीरों द्वारा दर्शाया गया है।