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बायोफिल्म दीर्घकालिक संक्रमणों के विकास में एक महत्वपूर्ण घटक है, विशेष रूप से जब चिकित्सा उपकरण शामिल होते हैं। यह समस्या चिकित्सा समुदाय के लिए एक बड़ी चुनौती पेश करती है, क्योंकि मानक एंटीबायोटिक्स बायोफिल्म को केवल सीमित हद तक ही नष्ट कर सकते हैं। बायोफिल्म निर्माण को रोकने के लिए विभिन्न कोटिंग विधियों और नई सामग्रियों का विकास हुआ है। इन विधियों का उद्देश्य सतहों को इस तरह से लेपित करना है जिससे बायोफिल्म निर्माण बाधित हो। धात्विक काँच मिश्रधातु, विशेष रूप से तांबा और टाइटेनियम धातु युक्त मिश्रधातु, आदर्श रोगाणुरोधी कोटिंग के रूप में उभरे 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 अध्ययन का एक उद्देश्य यांत्रिक मिश्रधातु तकनीकों का उपयोग करके त्रिगुणीय Cu-Zr-Ni से बनी एक नई जीवाणुरोधी फिल्म धात्विक काँच विकसित करना था। अंतिम उत्पाद बनाने वाले गोलाकार पाउडर का उपयोग कम तापमान पर स्टेनलेस स्टील की सतहों पर कोल्ड स्प्रे कोटिंग के लिए कच्चे माल के रूप में किया जाता है। धात्विक काँच से 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 वाले नए पदार्थों को डिजाइन करने और उन्हें बढ़ावा देने में सक्षम रहा है, जिसके परिणामस्वरूप वैश्वीकृत अर्थव्यवस्था में प्रदर्शन और रैंकिंग में सुधार हुआ है।¹ स्वास्थ्य, शिक्षा, उद्योग, अर्थशास्त्र, संस्कृति और अन्य क्षेत्रों में एक देश या क्षेत्र से दूसरे देश या क्षेत्र में प्रगति हासिल करने का श्रेय हमेशा से ही मानव की पदार्थ निर्माण उपकरण और डिजाइन विकसित करने की क्षमता को ही दिया गया है। प्रगति का मापन देश या क्षेत्र की परवाह किए बिना किया जाता है।² पिछले 60 वर्षों से, पदार्थ वैज्ञानिकों ने अपना अधिकांश समय एक प्रमुख चिंता पर केंद्रित किया है: नए और अत्याधुनिक 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 ऊष्मीय-यांत्रिकीय प्रसंस्करण तकनीकों के अनुप्रयोग से विभिन्न प्रकार के पदार्थों के यांत्रिक, रासायनिक और भौतिक गुणों में महत्वपूर्ण सुधार हुए हैं। इसके अलावा, अब तक अनसुने यौगिकों का भी सफलतापूर्वक संश्लेषण किया गया है। इन निरंतर प्रयासों से नवोन्मेषी पदार्थों का एक नया परिवार 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 पिछली शताब्दी के मध्य से दुनिया में प्रस्तुत किए गए उन्नत पदार्थों के कुछ उदाहरण मात्र हैं। बेहतर गुणों वाले नए मिश्रधातुओं के निर्माण और विकास के दौरान, चाहे अंतिम उत्पाद में हो या उसके उत्पादन के मध्यवर्ती चरणों में, असंतुलन की समस्या अक्सर सामने आती है। संतुलन से काफी विचलित होने के लिए नई निर्माण तकनीकों को लागू करने के परिणामस्वरूप, मेटास्टेबल मिश्रधातुओं का एक संपूर्ण नया वर्ग, जिसे धात्विक काँच के रूप में जाना जाता है, की खोज की गई है।
1960 में कैलटेक में उनके काम 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 कांच जैसे Au-25 परमाणु% Si मिश्र धातुओं का संश्लेषण किया। प्रोफेसर पोल डुवेज़ की खोज ने न केवल धात्विक काढ़े (MG) के इतिहास की शुरुआत की, बल्कि धातु मिश्र धातुओं के बारे में लोगों की सोच में भी एक बड़ा बदलाव लाया। MG मिश्र धातुओं के संश्लेषण में शुरुआती अग्रणी अध्ययनों के बाद से, लगभग सभी धात्विक काढ़े पूरी तरह से निम्नलिखित विधियों में से किसी एक का उपयोग करके उत्पादित किए गए हैं; (i) पिघल या भाप का तीव्र ठोसकरण, (ii) जाली का परमाणु अव्यवस्था, (iii) शुद्ध धातु तत्वों के बीच ठोस-अवस्था अमोर्फाइजेशन प्रतिक्रियाएं, और (iv) मेटास्टेबल चरणों का ठोस-अवस्था संक्रमण।
MG की विशेषता क्रिस्टल से जुड़े दीर्घ-श्रेणी परमाणु क्रम की कमी है, जो क्रिस्टल की एक परिभाषित विशेषता है। आज की दुनिया में, धात्विक कांच के क्षेत्र में बहुत प्रगति हुई है। ये दिलचस्प गुणों वाले नए पदार्थ हैं जो न केवल ठोस-अवस्था भौतिकी में, बल्कि धातु विज्ञान, सतह रसायन विज्ञान, प्रौद्योगिकी, जीव विज्ञान और कई अन्य क्षेत्रों में भी रुचि रखते हैं। इस नए प्रकार का पदार्थ ठोस धातुओं से अलग गुण प्रदर्शित करता है, जिससे यह विभिन्न क्षेत्रों में तकनीकी अनुप्रयोगों के लिए एक दिलचस्प उम्मीदवार बन जाता है। इनमें कुछ महत्वपूर्ण गुण हैं; (i) उच्च यांत्रिक तन्यता और उपज शक्ति, (ii) उच्च चुंबकीय पारगम्यता, (iii) कम बलपूर्वकता, (iv) असामान्य संक्षारण प्रतिरोध, (v) तापमान से स्वतंत्रता। चालकता 6,7 है।
मैकेनिकल एलॉयिंग (एमए)1,8 एक अपेक्षाकृत नई तकनीक है, जिसे पहली बार 19839 में प्रो. सी.सी. कॉक और उनके सहयोगियों द्वारा पेश किया गया था। उन्होंने कमरे के तापमान के बहुत करीब परिवेशी तापमान पर शुद्ध तत्वों के मिश्रण को पीसकर अनाकार Ni60Nb40 पाउडर तैयार किया। आम तौर पर, एमए अभिक्रिया एक रिएक्टर में अभिकारक पदार्थ पाउडर के विसरणीय युग्मन के बीच की जाती है, जो आमतौर पर स्टेनलेस स्टील से बना होता है और एक बॉल मिल 10 (चित्र 1a, b) में संचालित होता है। तब से, इस यांत्रिक रूप से प्रेरित ठोस-अवस्था अभिक्रिया तकनीक का उपयोग कम (चित्र 1c) और उच्च ऊर्जा बॉल मिलों, साथ ही रॉड मिलों 11, 12, 13, 14, 15, 16 का उपयोग करके नए अनाकार/धात्विक कांच मिश्रधातु पाउडर तैयार करने के लिए किया गया है। विशेष रूप से, इस विधि का उपयोग Cu-Ta 17 जैसी अमिश्रणीय प्रणालियों के साथ-साथ Al-संक्रमण धातु प्रणालियों (TM; Zr, Hf, Nb और Ta) 18, 19 और Fe-W 20 जैसी उच्च गलनांक मिश्र धातुओं को तैयार करने के लिए किया गया है, जिन्हें पारंपरिक तैयारी मार्गों का उपयोग करके प्राप्त नहीं किया जा सकता है। इसके अलावा, एमए को धातु ऑक्साइड, कार्बाइड, आदि के औद्योगिक पैमाने पर नैनोक्रिस्टलाइन और नैनोकंपोजिट पाउडर कणों की तैयारी के लिए सबसे शक्तिशाली नैनो प्रौद्योगिकी उपकरणों में से एक माना जाता है। नाइट्राइड, हाइड्राइड, कार्बन नैनोट्यूब, नैनोडायमंड, साथ ही साथ टॉप-डाउन दृष्टिकोण 1 और मेटास्टेबल चरणों के माध्यम से व्यापक स्थिरीकरण।
इस अध्ययन में Cu50(Zr50−xNix) मेटैलिक ग्लास (MG) कोटिंग/SUS 304 तैयार करने के लिए उपयोग की जाने वाली निर्माण विधि को दर्शाने वाला आरेख। (a) कम ऊर्जा बॉल मिलिंग तकनीक का उपयोग करके विभिन्न Ni सांद्रता x (x; 10, 20, 30 और 40 परमाणु%) के साथ MG मिश्र धातु पाउडर की तैयारी। (a) प्रारंभिक सामग्री को टूल स्टील गेंदों के साथ एक टूल सिलेंडर में लोड किया जाता है, और (b) इसे He वातावरण से भरे दस्ताने बॉक्स में सील कर दिया जाता है। (c) पीसने के दौरान गेंद की गति को दर्शाने वाला पीसने वाले बर्तन का एक पारदर्शी मॉडल। 50 घंटे के बाद प्राप्त पाउडर के अंतिम उत्पाद का उपयोग कोल्ड स्प्रे विधि (d) का उपयोग करके SUS 304 सब्सट्रेट को कोट करने के लिए किया गया था।
जब बात थोक सामग्री की सतहों (सब्सट्रेट) की आती है, तो सतह अभियांत्रिकी में सतहों (सब्सट्रेट) का डिज़ाइन और संशोधन शामिल होता है ताकि मूल थोक सामग्री में निहित न होने वाले कुछ भौतिक, रासायनिक और तकनीकी गुण प्रदान किए जा सकें। सतह उपचार द्वारा प्रभावी रूप से सुधारे जा सकने वाले कुछ गुणों में घर्षण प्रतिरोध, ऑक्सीकरण और संक्षारण प्रतिरोध, घर्षण गुणांक, जैव-अक्रियता, विद्युत गुण और तापीय इन्सुलेशन शामिल हैं। सतह की गुणवत्ता को धातुकर्म, यांत्रिक या रासायनिक तकनीकों का उपयोग करके 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 जमा की गई सामग्री की एक या एक से अधिक परतों के रूप में परिभाषित किया जाता है। इस प्रकार, कोटिंग्स का उपयोग कुछ वांछित तकनीकी या सजावटी गुणों को प्राप्त करने के साथ-साथ सामग्री को आसपास के वातावरण के साथ अपेक्षित रासायनिक और भौतिक अंतःक्रियाओं से बचाने के लिए किया जाता है।23
कुछ माइक्रोमीटर (10-20 माइक्रोमीटर से कम) से लेकर 30 माइक्रोमीटर या कुछ मिलीमीटर तक की मोटाई वाली उपयुक्त सतह सुरक्षा परतें जमा करने के लिए, कई 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, इलेक्ट्रोलेस प्लेटिंग और हॉट-डिप गैल्वनाइजिंग विधियाँ शामिल हैं, और (ii) सूखी कोटिंग विधियाँ, जिनमें ब्रेज़िंग, सरफेसिंग, 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 निर्माण से खाद्य उद्योग, जल प्रणालियों और स्वास्थ्य देखभाल वातावरण सहित कई औद्योगिक क्षेत्रों में महत्वपूर्ण नुकसान हो सकता है। मनुष्यों में, जब बायोफिल्म बनते हैं, तो 80% से अधिक सूक्ष्मजीव संक्रमणों (एंटेरोबैक्टीरियासी और स्टैफिलोकोकी सहित) का इलाज करना मुश्किल हो जाता है। इसके अलावा, परिपक्व बायोफिल्म को प्लैंकटोनिक जीवाणु कोशिकाओं की तुलना में एंटीबायोटिक उपचार के प्रति 1000 गुना अधिक प्रतिरोधी बताया गया है, जिसे एक बड़ी चिकित्सीय चुनौती माना जाता है। पारंपरिक कार्बनिक यौगिकों से प्राप्त रोगाणुरोधी सतह कोटिंग सामग्री का ऐतिहासिक रूप से उपयोग किया जाता रहा है। हालांकि ऐसी सामग्रियों में अक्सर विषाक्त घटक होते हैं जो मनुष्यों के लिए संभावित रूप से जोखिम भरे होते हैं,25,26 यह जीवाणु संचरण और सामग्री विनाश को रोकने में मदद कर सकता है।
बायोफिल्म निर्माण के कारण एंटीबायोटिक उपचारों के प्रति जीवाणुओं के व्यापक प्रतिरोध ने एक प्रभावी रोगाणुरोधी झिल्ली-लेपित सतह विकसित करने की आवश्यकता को जन्म दिया है जिसे सुरक्षित रूप से लागू किया जा सके।27 इस प्रक्रिया में पहला दृष्टिकोण एक भौतिक या रासायनिक एंटी-एडहेरेंट सतह का विकास है जिससे जीवाणु कोशिकाएं चिपकने और बायोफिल्म बनाने से बाधित होती हैं।27 दूसरी तकनीक ऐसी कोटिंग्स विकसित करना है जो रोगाणुरोधी रसायनों को अत्यधिक केंद्रित और अनुकूलित मात्रा में, ठीक उसी स्थान पर पहुंचाने में सक्षम बनाती हैं जहां उनकी आवश्यकता होती है। यह बैक्टीरिया-प्रतिरोधी ग्रेफीन/जर्मेनियम28, ब्लैक डायमंड29 और ZnO-डोप्ड डायमंड-लाइक कार्बन कोटिंग्स30 जैसी अद्वितीय कोटिंग सामग्री विकसित करके प्राप्त किया जाता है, एक ऐसी तकनीक जो विषाक्तता को अधिकतम करती है और बायोफिल्म निर्माण के कारण प्रतिरोध विकास को काफी हद तक कम करती है। इसके अतिरिक्त, जीवाणु संदूषण से दीर्घकालिक सुरक्षा प्रदान करने के लिए सतहों में रोगाणुनाशक रसायनों को शामिल करने वाली कोटिंग्स अधिक लोकप्रिय हो रही हैं। हालांकि तीनों प्रक्रियाएं लेपित सतहों पर रोगाणुरोधी प्रभाव उत्पन्न करने में सक्षम हैं, लेकिन अनुप्रयोग रणनीतियों को विकसित करते समय प्रत्येक की अपनी सीमाएं हैं जिन पर विचार किया जाना चाहिए।
वर्तमान में बाजार में मौजूद उत्पादों में जैविक रूप से सक्रिय अवयवों के लिए सुरक्षात्मक कोटिंग्स का विश्लेषण और परीक्षण करने के लिए अपर्याप्त समय की कमी है। कंपनियां दावा करती हैं कि उनके उत्पाद उपयोगकर्ताओं को वांछनीय कार्यात्मक पहलू प्रदान करेंगे; हालांकि, यह वर्तमान में बाजार में मौजूद उत्पादों की सफलता में एक बाधा रहा है। चांदी से प्राप्त यौगिकों का उपयोग उपभोक्ताओं के लिए उपलब्ध अधिकांश रोगाणुरोधी उपचारों में किया जाता है। ये उत्पाद उपयोगकर्ताओं को सूक्ष्मजीवों के संभावित खतरनाक प्रभावों से बचाने के लिए विकसित किए गए हैं। चांदी के यौगिकों के विलंबित रोगाणुरोधी प्रभाव और संबंधित विषाक्तता ने शोधकर्ताओं पर कम हानिकारक विकल्प विकसित करने का दबाव बढ़ा दिया है।36,37 एक वैश्विक रोगाणुरोधी कोटिंग बनाना जो घर के अंदर और बाहर दोनों जगह काम करे, अभी भी एक चुनौतीपूर्ण कार्य साबित हो रहा है। ऐसा स्वास्थ्य और सुरक्षा दोनों के लिए संबंधित जोखिमों के कारण है। मनुष्यों के लिए कम हानिकारक रोगाणुरोधी एजेंट की खोज करना और इसे लंबे समय तक चलने वाले कोटिंग सब्सट्रेट में कैसे शामिल किया जाए, यह पता लगाना एक अत्यधिक वांछित लक्ष्य है।38 नवीनतम रोगाणुरोधी और एंटी-बायोफिल्म सामग्री को बैक्टीरिया को निकट से मारने के लिए डिज़ाइन किया गया है, या तो सीधे संपर्क के माध्यम से या सक्रिय एजेंट के जारी होने के बाद। वे प्रारंभिक जीवाणु आसंजन को रोककर (सतह पर प्रोटीन परत के निर्माण का प्रतिकार सहित) या कोशिका भित्ति में हस्तक्षेप करके बैक्टीरिया को मारकर ऐसा कर सकते हैं।
मूलतः, सतह कोटिंग किसी घटक की सतह पर एक और परत चढ़ाने की प्रक्रिया है, जिसका उद्देश्य सतह से संबंधित गुणों को बढ़ाना है। सतह कोटिंग का लक्ष्य घटक के सतह के निकटवर्ती क्षेत्र की सूक्ष्म संरचना और/या संरचना को अनुकूलित करना है।39 सतह कोटिंग तकनीकों को विभिन्न विधियों में विभाजित किया जा सकता है, जिन्हें चित्र 2a में संक्षेप में दर्शाया गया है। कोटिंग को थर्मल, रासायनिक, भौतिक और विद्युत रासायनिक श्रेणियों में उपविभाजित किया जा सकता है, जो कोटिंग बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली विधि पर निर्भर करता है।
(a) सतह के निर्माण में प्रयुक्त मुख्य तकनीकों को दर्शाने वाला चित्र, और (b) कोल्ड स्प्रे तकनीक के चयनित लाभ और हानियाँ।
कोल्ड स्प्रे तकनीक पारंपरिक थर्मल स्प्रे विधियों के साथ कई समानताएं साझा करती है। 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 भी प्रारंभिक अवस्था में है, लेकिन इसका भविष्य उज्ज्वल है। कुछ अनुप्रयोगों में, कोल्ड स्प्रे के अद्वितीय गुण बहुत लाभ प्रदान करते हैं, जो विशिष्ट थर्मल स्प्रे विधियों की अंतर्निहित सीमाओं को दूर करते हैं। यह पारंपरिक थर्मल स्प्रे तकनीक की महत्वपूर्ण सीमाओं को दूर करने का एक तरीका प्रदान करता है, जिसके दौरान 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 सामग्री हमेशा उच्च स्तर की सरंध्रता और ऑक्साइड प्रदर्शित करती है। कोल्ड स्प्रे तकनीक के थर्मल स्प्रे तकनीक पर कई महत्वपूर्ण लाभ हैं, जैसे (i) सब्सट्रेट में न्यूनतम ऊष्मा इनपुट, (ii) सब्सट्रेट कोटिंग विकल्पों में लचीलापन, (iii) चरण परिवर्तन और दाने की वृद्धि की अनुपस्थिति, (iv) उच्च बंधन 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 तकनीक के उपयोग 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। यही बात अन्य थर्मल स्प्रे विधियों पर भी लागू होती है। जटिल सतहों और पाइप की आंतरिक सतहों पर स्प्रे करना अभी भी मुश्किल है।
चूंकि वर्तमान कार्य का उद्देश्य कच्चे कोटिंग सामग्री के रूप में धात्विक काँची पाउडर का उपयोग करना है, यह स्पष्ट है कि इस उद्देश्य के लिए पारंपरिक थर्मल स्प्रेइंग का उपयोग नहीं किया जा सकता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि धात्विक काँची 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 क्रोमियम की मात्रा 12 से 20 wt% के बीच 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 बढ़ा सकता है। स्टेनलेस स्टील मिश्र धातुएं, अपने उच्च संक्षारण प्रतिरोध के बावजूद, महत्वपूर्ण रोगाणुरोधी गुण प्रदर्शित नहीं करती हैं38,39। यह उनके उच्च संक्षारण प्रतिरोध के विपरीत है। इसके परिणामस्वरूप, संक्रमण और सूजन के विकास की आशंका रहती है, जो मुख्य रूप से स्टेनलेस स्टील जैव-सामग्रियों की सतह पर जीवाणुओं के आसंजन और उपनिवेशीकरण के कारण होती है। जीवाणु आसंजन और बायोफिल्म निर्माण मार्गों से जुड़ी महत्वपूर्ण कठिनाइयों के कारण गंभीर समस्याएं उत्पन्न हो सकती हैं, जिससे स्वास्थ्य में गिरावट आ सकती है, जिसके 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, ताकि जीवाणुरोधी फिल्म/SUS304 सतह सुरक्षा कोटिंग का उत्पादन किया जा सके। परियोजना का दूसरा चरण, जो जनवरी 2023 में शुरू होने वाला है, प्रणाली के विद्युत रासायनिक संक्षारण विशेषताओं और यांत्रिक गुणों का विस्तृत अध्ययन करेगा। विभिन्न जीवाणु प्रजातियों के लिए विस्तृत सूक्ष्मजीवविज्ञानी परीक्षण किए जाएंगे।
इस शोधपत्र में, आकारिकी और संरचनात्मक विशेषताओं के आधार पर, Zr मिश्रधातु तत्व की मात्रा का कांच निर्माण क्षमता (GFA) पर पड़ने वाले प्रभाव पर चर्चा की गई है। इसके अतिरिक्त, लेपित धात्विक कांच पाउडर कोटिंग/SUS304 मिश्रित पदार्थ के जीवाणुरोधी गुणों पर भी चर्चा की गई है। साथ ही, निर्मित धात्विक कांच प्रणालियों के उपशीतित तरल क्षेत्र में शीत छिड़काव के दौरान होने वाले धात्विक कांच पाउडर के संरचनात्मक परिवर्तन की संभावना का अध्ययन करने के लिए भी यह शोध किया गया है। प्रतिनिधि उदाहरणों के रूप में, इस अध्ययन में Cu50Zr30Ni20 और Cu50Zr20Ni30 धात्विक कांच मिश्रधातुओं का उपयोग किया गया है।
इस खंड में, कम ऊर्जा वाली बॉल मिलिंग में Cu, Zr और Ni तत्वों के पाउडर के आकारिकीय परिवर्तनों को प्रस्तुत किया गया है। उदाहरण के तौर पर, Cu50Zr20Ni30 और Cu50Zr40Ni10 से बनी दो अलग-अलग प्रणालियों का उपयोग प्रतिनिधि उदाहरणों के रूप में किया जाएगा। एमए प्रक्रिया को तीन अलग-अलग चरणों में विभाजित किया जा सकता है, जैसा कि पीसने के चरण के दौरान उत्पादित पाउडर के धातुवैज्ञानिक लक्षण वर्णन द्वारा दर्शाया गया है (चित्र 3)।
विभिन्न चरणों में बॉल मिलिंग के बाद प्राप्त यांत्रिक मिश्र धातु (MA) पाउडर की धातुवैज्ञानिक विशेषताओं का अध्ययन किया गया। Cu50Zr20Ni30 प्रणाली के लिए 3, 12 और 50 घंटे की कम ऊर्जा बॉल मिलिंग के बाद प्राप्त MA और Cu50Zr40Ni10 पाउडर की फील्ड एमिशन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (FE-SEM) छवियां (a), (c) और (e) में दिखाई गई हैं, जबकि इसी MA प्रणाली के लिए Cu50Zr40Ni10 प्रणाली की संबंधित छवियां (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 संपीडन अपरूपण, गिरती गेंदों का प्रभाव, गतिशील बॉल मिलिंग माध्यमों के बीच पाउडर के खिंचाव के कारण अपरूपण और घिसाव, और गिरती गेंदों से गुजरने वाली शॉक वेव शामिल हैं जो फसल भार में फैलती हैं (चित्र 1a)। प्रारंभिक चरण (3 घंटे) में ठंडे वेल्डिंग के कारण Cu, Zr और Ni के मौलिक पाउडर गंभीर रूप से विकृत हो गए, जिसके परिणामस्वरूप बड़े पाउडर कण (व्यास में >1 मिमी) बने। इन बड़े मिश्रित कणों की विशेषता मिश्रधातु तत्वों (Cu, Zr, Ni) की मोटी परतों का निर्माण है, जैसा कि चित्र 3a,b में दिखाया गया है। MA समय को 12 घंटे (मध्यवर्ती चरण) तक बढ़ाने से बॉल मिल की गतिज ऊर्जा में वृद्धि हुई, जिसके परिणामस्वरूप मिश्रित पाउडर का महीन पाउडर (200 µm से कम) में अपघटन हुआ, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। 3सी,डी. इस चरण में, लगाया गया अपरूपण बल महीन Cu, Zr, Ni संकेत परतों के साथ एक नई धातु सतह के निर्माण की ओर ले जाता है, जैसा कि चित्र 3सी,डी में दिखाया गया है। परत शोधन के परिणामस्वरूप, ठोस चरण प्रतिक्रियाएं फ्लेक्स के इंटरफ़ेस पर होती हैं जिससे नए चरण उत्पन्न होते हैं।
एमए प्रक्रिया के चरम पर (50 घंटे के बाद), परतदार धातु विज्ञान केवल धुंधला दिखाई दे रहा था (चित्र 3e,f), लेकिन पाउडर की पॉलिश की हुई सतह पर दर्पण धातु विज्ञान दिखाई दे रहा था। इसका मतलब है कि एमए प्रक्रिया पूरी हो चुकी है और एक एकल प्रतिक्रिया चरण का निर्माण हो चुका है। चित्र 3e (I, II, III), f, v, vi) में अनुक्रमित क्षेत्रों की मौलिक संरचना को ऊर्जा विसरणीय एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDS) (IV) के साथ संयुक्त क्षेत्र उत्सर्जन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (FE-SEM) का उपयोग करके निर्धारित किया गया था।
तालिका 2 में, मिश्रधातु तत्वों की सांद्रता को चित्र 3e,f में चयनित प्रत्येक क्षेत्र के कुल भार के प्रतिशत के रूप में दर्शाया गया है। तालिका 1 में सूचीबद्ध Cu50Zr20Ni30 और Cu50Zr40Ni10 की प्रारंभिक नाममात्र संरचनाओं के साथ इन परिणामों की तुलना करने पर, यह देखा जा सकता है कि इन दोनों अंतिम उत्पादों की संरचनाएं नाममात्र संरचनाओं के बहुत समान हैं। इसके अलावा, चित्र 3e,f में सूचीबद्ध क्षेत्रों के लिए सापेक्ष घटक मान एक क्षेत्र से दूसरे क्षेत्र में प्रत्येक नमूने की संरचना में महत्वपूर्ण गिरावट या उतार-चढ़ाव का संकेत नहीं देते हैं। इसका प्रमाण यह है कि एक क्षेत्र से दूसरे क्षेत्र में संरचना में कोई परिवर्तन नहीं होता है। यह तालिका 2 में दर्शाए गए अनुसार, समरूप मिश्रधातु पाउडर के उत्पादन की ओर इशारा करता है।
50 MA बार मिलिंग के बाद प्राप्त अंतिम उत्पाद Cu50(Zr50−xNix) पाउडर के FE-SEM माइक्रोग्राफ चित्र 4a–d में दर्शाए गए हैं, जहाँ x का मान क्रमशः 10, 20, 30 और 40 परमाणु प्रतिशत है। इस मिलिंग प्रक्रिया के बाद, वैन डेर वाल्स प्रभाव के कारण पाउडर का एकत्रीकरण होता है, जिसके परिणामस्वरूप 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 एमए समय के बाद प्राप्त Cu50(Zr50−xNix) पाउडर की रूपात्मक विशेषताएं। Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 प्रणालियों के लिए, 50 एमए समय के बाद प्राप्त पाउडर की FE-SEM छवियां क्रमशः (a), (b), (c) और (d) में दिखाई गई हैं।
पाउडर को कोल्ड स्प्रे फीडर में लोड करने 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। कोटिंग प्रक्रिया के दौरान अक्सर कई महत्वपूर्ण समस्याओं का कारण बनने वाले एग्लॉमरेशन से सफलतापूर्वक निपटने के लिए यह कदम आवश्यक है। एमए प्रक्रिया पूरी होने के बाद, मिश्र धातु पाउडर की समरूपता की जांच के लिए आगे के लक्षण वर्णन किए गए। चित्र 5a-d क्रमशः 50 घंटे के एम समय के बाद प्राप्त Cu50Zr30Ni20 मिश्र धातु के Cu, Zr और Ni मिश्र धातु तत्वों के FE-SEM माइक्रोग्राफ और संबंधित EDS छवियों को दर्शाते हैं। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि इस चरण के बाद उत्पादित मिश्र धातु पाउडर समरूप हैं क्योंकि वे उप-नैनोमीटर स्तर से परे कोई संरचनात्मक उतार-चढ़ाव नहीं दिखाते हैं, जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है।
50 MA समय के बाद प्राप्त MG Cu50Zr30Ni20 पाउडर की आकृति विज्ञान और स्थानीय मौलिक वितरण का FE-SEM/ऊर्जा विसरणीय एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDS) द्वारा विश्लेषण। (a) (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα और (d) Ni-Kα छवियों का SEM और एक्स-रे EDS मानचित्रण।
50 घंटे के MA ​​समय के बाद प्राप्त यांत्रिक रूप से मिश्रित Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 और Cu50Zr20Ni30 पाउडर के XRD पैटर्न क्रमशः चित्र 6a-d में दिखाए गए हैं। मिलिंग के इस चरण के बाद, विभिन्न Zr सांद्रता वाले सभी नमूनों ने चित्र 6 में दिखाए गए विशिष्ट हेलो प्रसार पैटर्न के साथ अनाकार संरचनाएं प्रदर्शित कीं।
(a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 और (d) Cu50Zr20Ni30 पाउडर के XRD पैटर्न, 50 घंटे के MA ​​समय के बाद। सभी नमूनों ने बिना किसी अपवाद के हेलो डिफ्यूजन पैटर्न दिखाया, जो एक अनाकार चरण के गठन का संकेत देता है।
विभिन्न एमए समयों पर बॉल मिलिंग से प्राप्त पाउडर की संरचनात्मक परिवर्तनों का अवलोकन करने और स्थानीय संरचना को समझने के लिए फील्ड एमिशन हाई-रिज़ॉल्यूशन ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (FE-HRTEM) का उपयोग किया गया था। Cu50Zr30Ni20 और Cu50Zr40Ni10 पाउडर के लिए मिलिंग के प्रारंभिक (6 घंटे) और मध्यवर्ती (18 घंटे) चरणों के बाद प्राप्त पाउडर की FE-HRTEM छवियां क्रमशः चित्र 7a और 7c में दिखाई गई हैं। 6 घंटे के एमए के बाद उत्पादित पाउडर की ब्राइट फील्ड इमेज (BFI) के अनुसार, पाउडर fcc-Cu, hcp-Zr और fcc-Ni तत्वों की अच्छी तरह से परिभाषित सीमाओं वाले बड़े दानों से बना है, और प्रतिक्रिया चरण के बनने का कोई संकेत नहीं है, जैसा कि चित्र 7a में दिखाया गया है। इसके अलावा, (a) के मध्य क्षेत्र से लिए गए सहसंबंधित चयनित क्षेत्र विवर्तन पैटर्न (SADP) ने एक कस्प विवर्तन पैटर्न (चित्र 7b) दिखाया, जो बड़े क्रिस्टलाइट्स की उपस्थिति को दर्शाता है। प्रतिक्रियाशील चरण की अनुपस्थिति।
प्रारंभिक (6 घंटे) और मध्यवर्ती (18 घंटे) चरणों के बाद प्राप्त एमए पाउडर का स्थानीय संरचनात्मक लक्षण वर्णन। (a) फील्ड एमिशन हाई रेज़ोल्यूशन ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (FE-HRTEM), और (b) 6 घंटे के एमए उपचार के बाद Cu50Zr30Ni20 पाउडर का संबंधित चयनित क्षेत्र विवर्तन पैटर्न (SADP)। 18 घंटे के एमए समय के बाद प्राप्त Cu50Zr40Ni10 की FE-HRTEM छवि (c) में दिखाई गई है।
जैसा कि चित्र 7c में दिखाया गया है, MA की अवधि को 18 घंटे तक बढ़ाने से प्लास्टिक विरूपण के साथ-साथ गंभीर जाली दोष उत्पन्न हुए। MA प्रक्रिया के इस मध्यवर्ती चरण के दौरान, पाउडर में स्टैकिंग दोष, जाली दोष और बिंदु दोष सहित विभिन्न दोष दिखाई देते हैं (चित्र 7)। इन दोषों के कारण बड़े दाने अपनी दानेदार सीमाओं के साथ 20 nm से कम आकार के उप-दाने में विभाजित हो जाते हैं (चित्र 7c)।
36 घंटे के MA ​​समय के लिए पीसे गए Cu50Z30Ni20 पाउडर की स्थानीय संरचना में एक अनाकार महीन मैट्रिक्स में अंतर्निहित अतिसूक्ष्म नैनोकणों का निर्माण होता है, जैसा कि चित्र 8a में दिखाया गया है। स्थानीय EDS विश्लेषण से पता चला कि चित्र 8a में दिखाए गए ये नैनोक्लस्टर असंसाधित Cu, Zr और Ni पाउडर मिश्रधातु तत्वों से जुड़े थे। साथ ही, मैट्रिक्स में Cu की मात्रा लगभग 32 परमाणु% (कम क्षेत्र) से लगभग 74 परमाणु% (अधिक क्षेत्र) तक भिन्न होती है, जो विषम उत्पादों के निर्माण को इंगित करती है। इसके अलावा, इस चरण में पिसाई के बाद प्राप्त पाउडर के संबंधित SADP अनाकार चरण के हेलो-डिफ्यूजिंग प्राथमिक और माध्यमिक छल्ले दिखाते हैं, जो कच्चे मिश्रधातु तत्वों से जुड़े तीक्ष्ण बिंदुओं के साथ ओवरलैप करते हैं, जैसा कि चित्र 8b में दिखाया गया है।
36 घंटे से परे Cu50Zr30Ni20 पाउडर की नैनोस्केल स्थानीय संरचनात्मक विशेषताएं। (a) ब्राइट फील्ड इमेज (BFI) और संबंधित (b) 36 घंटे MA समय के लिए मिलिंग के बाद प्राप्त Cu50Zr30Ni20 पाउडर का SADP।
MA प्रक्रिया के लगभग अंत में (50 घंटे), Cu50(Zr50−xNix), X; 10, 20, 30 और 40 परमाणु% पाउडर में हमेशा एक भूलभुलैयानुमा अक्रिस्टलीय चरण आकृति विज्ञान होता है, जैसा कि चित्र 9a–d में दिखाया गया है। प्रत्येक संरचना के संबंधित SADP में, न तो बिंदु-समान विवर्तन और न ही तीक्ष्ण वलयाकार पैटर्न का पता लगाया जा सका। यह इंगित करता है कि कोई भी असंसाधित क्रिस्टलीय धातु मौजूद नहीं है, बल्कि एक अक्रिस्टलीय मिश्र धातु पाउडर का निर्माण हुआ है। हेलो विसरण पैटर्न दिखाने वाले इन सहसंबंधित SADP का उपयोग अंतिम उत्पाद सामग्री में अक्रिस्टलीय चरणों के विकास के प्रमाण के रूप में भी किया गया था।
एमजी Cu50 (Zr50−xNix) प्रणाली के अंतिम उत्पाद की स्थानीय संरचना। 50 घंटे के एमए के बाद प्राप्त (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 और (d) Cu50Zr10Ni40 के FE-HRTEM और सहसंबंधित नैनोबीम विवर्तन पैटर्न (NBDP)।
हीलियम गैस प्रवाह के अंतर्गत गुणों के विभेदक स्कैनिंग कैलोरीमेट्री (डीएससी) का उपयोग करके, अक्रिस्टलीय Cu50(Zr50−xNix) प्रणाली के Ni सामग्री (x) के फलन के रूप में कांच संक्रमण तापमान (Tg), उपशीतित तरल क्षेत्र (ΔTx) और क्रिस्टलीकरण तापमान (Tx) की तापीय स्थिरता का अध्ययन किया गया है। 50 घंटे के MA ​​समय के बाद प्राप्त Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 और Cu50Zr10Ni40 अक्रिस्टलीय मिश्र धातु पाउडर के डीएससी ट्रेस क्रमशः चित्र 10a, b और e में दर्शाए गए हैं। जबकि अक्रिस्टलीय Cu50Zr20Ni30 का डीएससी वक्र चित्र 10c में अलग से दिखाया गया है। इसी बीच, डीएससी में लगभग 700 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किए गए Cu50Zr30Ni20 नमूने को चित्र 10d में दर्शाया गया है।
50 घंटे के मेटास्टैटिक टेम्परेचर (MA) के बाद प्राप्त Cu50(Zr50−xNix) MG पाउडर की तापीय स्थिरता को ग्लास ट्रांज़िशन तापमान (Tg), क्रिस्टलीकरण तापमान (Tx) और सबकूल्ड लिक्विड क्षेत्र (ΔTx) द्वारा दर्शाया गया है। 50 घंटे के MA ​​के बाद (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 और (e) Cu50Zr10Ni40 MG मिश्रधातु पाउडर के डिफरेंशियल स्कैनिंग कैलोरीमीटर (DSC) थर्मोग्राम दिखाए गए हैं। DSC में लगभग 700 °C तक गर्म किए गए Cu50Zr30Ni20 नमूने का एक्स-रे विवर्तन (XRD) पैटर्न (d) में दिखाया गया है।
चित्र 10 में दर्शाए अनुसार, विभिन्न Ni सांद्रता (x) वाले सभी संघटकों के DSC वक्र दो अलग-अलग स्थितियों को दर्शाते हैं, एक ऊष्माशोषी और दूसरी ऊष्माक्षेपी। पहली ऊष्माशोषी घटना Tg से संबंधित है, जबकि दूसरी Tx से संबंधित है। 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, Ni 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 का ΔTx 86°C (चित्र 10a) से घटकर 81°C हो जाता है। Cu50Zr30Ni20 के लिए तापमान में काफी वृद्धि देखी गई (चित्र 10b)। MG Cu50Zr40Ni10 मिश्रधातु के लिए, यह भी देखा गया कि Tg, Tx और ΔTx के मान क्रमशः 447°C, 526°C और 79°C तक कम हो गए (चित्र 10b)। इससे पता चलता है कि Ni की मात्रा में वृद्धि से MG मिश्रधातु की तापीय स्थिरता में कमी आती है। इसके विपरीत, MG Cu50Zr20Ni30 मिश्रधातु का Tg मान (507°C) MG Cu50Zr40Ni10 मिश्रधातु की तुलना में कम है; फिर भी, इसका Tx मान पूर्व के तुलनीय (612°C) है। इसलिए, ΔTx का मान अधिक (87°C) है, जैसा कि चित्र 10c में दिखाया गया है।
उदाहरण के तौर पर, एमजी Cu50Zr20Ni30 मिश्र धातु को लेते हुए, एमजी Cu50(Zr50−xNix) प्रणाली, तीव्र ऊष्माक्षेपी शिखर के माध्यम से fcc-ZrCu5, ऑर्थोरोम्बिक-Zr7Cu10 और ऑर्थोरोम्बिक-ZrNi के क्रिस्टलीय चरणों में क्रिस्टलीकृत होती है (चित्र 10c)। डीएससी में 700 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किए गए एमजी नमूने के एक्सआरडी द्वारा इस अनाकार से क्रिस्टलीय चरण संक्रमण की पुष्टि की गई (चित्र 10d)।
चित्र 11 में वर्तमान कार्य में की गई कोल्ड स्प्रे प्रक्रिया के दौरान ली गई तस्वीरें दिखाई गई हैं। इस अध्ययन में, 50 घंटे के एमए समय के बाद संश्लेषित धातु कांच जैसे पाउडर कणों (उदाहरण के तौर पर Cu50Zr20Ni30) का उपयोग जीवाणुरोधी कच्चे माल के रूप में किया गया था, और स्टेनलेस स्टील प्लेट (SUS304) को कोल्ड स्प्रे तकनीक द्वारा लेपित किया गया था। थर्मल स्प्रे तकनीक श्रृंखला में कोटिंग के लिए कोल्ड स्प्रे विधि को इसलिए चुना गया क्योंकि यह थर्मल स्प्रे श्रृंखला में सबसे कुशल विधि है और इसका उपयोग धातु मेटास्टेबल तापमान संवेदनशील पदार्थों जैसे कि अनाकार 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 स्प्रे प्रक्रिया में उच्च वेग वाले कणों का उपयोग किया जाता है जो सब्सट्रेट या पहले से जमा किए गए कणों के साथ टकराने पर कणों की गतिज ऊर्जा को प्लास्टिक विरूपण, तनाव और ऊष्मा में परिवर्तित करते हैं।
फील्ड फोटो में 550 डिग्री सेल्सियस पर एमजी कोटिंग/एसयूएस 304 की लगातार पांच तैयारियों के लिए उपयोग की जाने वाली कोल्ड स्प्रे प्रक्रिया को दिखाया गया है।
कोटिंग निर्माण में कणों की गतिज ऊर्जा, और इस प्रकार प्रत्येक कण का संवेग, प्लास्टिक विरूपण (सब्सट्रेट में प्रारंभिक कण और कण-कण अंतःक्रियाएं), रिक्तियों का संघनन, कण-कण घूर्णन, तनाव और अंततः ऊष्मा 39 जैसे तंत्रों के माध्यम से ऊर्जा के अन्य रूपों में परिवर्तित होना चाहिए। इसके अलावा, यदि सभी आने वाली गतिज ऊर्जा ऊष्मा और तनाव ऊर्जा में परिवर्तित नहीं होती है, तो परिणाम एक प्रत्यास्थ टक्कर होती है, जिसका अर्थ है कि कण प्रभाव के बाद बस वापस उछल जाते हैं। यह बताया गया है कि कण/सब्सट्रेट सामग्री पर लागू प्रभाव ऊर्जा का 90% स्थानीय ऊष्मा में परिवर्तित हो जाता है 40। इसके अलावा, जब प्रभाव तनाव लागू होता है, तो संपर्क कण/सब्सट्रेट क्षेत्र में बहुत कम समय में उच्च प्लास्टिक तनाव दर प्राप्त होती है 41,42।
प्लास्टिक विरूपण को सामान्यतः ऊर्जा क्षय की प्रक्रिया, या अधिक सटीक रूप से, अंतरास्थि क्षेत्र में ऊष्मा स्रोत माना जाता है। हालाँकि, अंतरास्थि क्षेत्र में तापमान वृद्धि आमतौर पर अंतरास्थि पिघलने या परमाणु अंतर्प्रसार को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ावा देने के लिए पर्याप्त नहीं होती है। लेखकों की जानकारी में ऐसा कोई प्रकाशन नहीं है जो इन धात्विक काँचनुमा पाउडरों के गुणों के पाउडर आसंजन और निक्षेपण पर पड़ने वाले प्रभाव की जाँच करता हो, जो कोल्ड स्प्रे विधियों के उपयोग के दौरान होता है।
चित्र 12a में MG Cu50Zr20Ni30 मिश्र धातु पाउडर का BFI देखा जा सकता है, जिसे SUS 304 सब्सट्रेट (चित्र 11, 12b) पर लेपित किया गया था। जैसा कि चित्र से देखा जा सकता है, लेपित पाउडर अपनी मूल अनाकार संरचना को बनाए रखते हैं क्योंकि इनमें बिना किसी क्रिस्टलीय विशेषता या जाली दोष के एक नाजुक भूलभुलैया संरचना होती है। दूसरी ओर, चित्र एक बाह्य चरण की उपस्थिति को इंगित करता है, जैसा कि MG-लेपित पाउडर मैट्रिक्स (चित्र 12a) में शामिल नैनोकणों द्वारा सुझाया गया है। चित्र 12c क्षेत्र I (चित्र 12a) से संबंधित अनुक्रमित नैनोबीम विवर्तन पैटर्न (NBDP) को दर्शाता है। जैसा कि चित्र 12c में दिखाया गया है, NBDP अनाकार संरचना का एक कमजोर हेलो प्रसार पैटर्न प्रदर्शित करता है और क्रिस्टलीय बड़े घन Zr2Ni मेटास्टेबल प्लस चतुर्भुज CuO चरण के अनुरूप तेज पैच के साथ सह-अस्तित्व में है। CuO का निर्माण ऑक्सीकरण के कारण हो सकता है। स्प्रे गन के नोजल से एसयूएस 304 तक सुपरसोनिक प्रवाह के तहत खुली हवा में यात्रा करते समय पाउडर में परिवर्तन होता है। दूसरी ओर, 550 डिग्री सेल्सियस पर 30 मिनट के लिए कोल्ड स्प्रे उपचार के बाद धात्विक कांच जैसे पाउडर के विट्रिफिकेशन से बड़े घनाकार चरणों का निर्माण हुआ।
(a) एसयूएस 304 सब्सट्रेट पर लेपित एमजी पाउडर की एफई-एचआरटीईएम छवि (b) (चित्र का अंतर्विन्यास)। (a) में दर्शाए गए वृत्ताकार प्रतीक का सूचकांक एनबीडीपी (c) में दिखाया गया है।
बड़े घनाकार Zr2Ni नैनोकणों के निर्माण की इस संभावित प्रक्रिया को सत्यापित करने के लिए, एक स्वतंत्र प्रयोग किया गया। इस प्रयोग में, पाउडर को 550 डिग्री सेल्सियस पर स्प्रे गन से SUS 304 सब्सट्रेट की दिशा में छिड़का गया; हालाँकि, पाउडर के एनीलिंग प्रभाव को स्पष्ट करने के लिए, उन्हें SUS304 पट्टी से यथासंभव शीघ्र (लगभग 60 सेकंड) हटा दिया गया। प्रयोगों का एक अन्य सेट किया गया जिसमें पाउडर को जमाव 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 सब्सट्रेट पर जमा किए गए दो स्प्रे किए गए पदार्थों की स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (STEM) द्वारा प्राप्त डार्क फील्ड इमेज (DFI) दिखाई गई हैं। 60 सेकंड के लिए जमा किए गए पाउडर की इमेज में कोई मॉर्फोलॉजिकल विवरण नहीं है, जो इसकी विशेषताओं की कमी को दर्शाता है (चित्र 13a)। इसकी पुष्टि XRD द्वारा भी की गई, जिससे पता चला कि इन पाउडरों की सामान्य संरचना अनाकार थी, जैसा कि चित्र 14a में दिखाए गए व्यापक प्राथमिक और द्वितीयक विवर्तन मैक्सिमा द्वारा दर्शाया गया है। ये मेटास्टेबल/मेसोफेज अवक्षेपण की अनुपस्थिति को इंगित करते हैं, जहां पाउडर अपनी मूल अनाकार संरचना को बनाए रखता है। इसके विपरीत, समान तापमान (550 °C) पर स्प्रे किया गया पाउडर, जिसे सब्सट्रेट पर 180 सेकंड के लिए छोड़ दिया गया था, उसमें नैनो-आकार के कणों का अवक्षेपण दिखाई दिया, जैसा कि चित्र 13b में तीरों द्वारा दर्शाया गया है।