Terima kasih telah mengunjungi Nature.com. Versi peramban yang Anda gunakan memiliki dukungan CSS yang terbatas. Untuk pengalaman terbaik, kami sarankan Anda menggunakan peramban yang lebih baru (atau menonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami akan menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Biofilm merupakan komponen penting dalam perkembangan infeksi kronis, terutama pada perangkat medis. Masalah ini menghadirkan tantangan besar bagi komunitas medis, karena antibiotik standar hanya dapat menghancurkan biofilm dalam jumlah yang sangat terbatas. Pencegahan pembentukan biofilm telah mendorong pengembangan berbagai metode pelapisan dan material baru. Teknik-teknik ini bertujuan untuk melapisi permukaan sedemikian rupa sehingga mencegah pembentukan biofilm. Paduan logam vitreous, terutama yang mengandung logam tembaga dan titanium, telah menjadi lapisan antimikroba yang ideal. Pada saat yang sama, penggunaan teknologi semprot dingin (cold spray) telah meningkat karena merupakan metode yang cocok untuk memproses material yang sensitif terhadap suhu. Sebagian dari tujuan penelitian ini adalah untuk mengembangkan film antibakteri baru berupa kaca metalik yang terdiri dari tiga komponen Cu-Zr-Ni menggunakan teknik paduan mekanik. Bubuk bulat yang membentuk produk akhir digunakan sebagai bahan baku untuk penyemprotan dingin permukaan baja tahan karat pada suhu rendah. Substrat yang dilapisi kaca metalik mampu mengurangi pembentukan biofilm secara signifikan, setidaknya 1 log, dibandingkan dengan baja tahan karat.
Sepanjang sejarah manusia, setiap masyarakat mampu mengembangkan dan mempromosikan pengenalan material baru untuk memenuhi kebutuhan spesifiknya, yang menghasilkan peningkatan produktivitas dan peringkat dalam ekonomi global¹. Hal ini selalu dikaitkan dengan kemampuan manusia untuk merancang material dan peralatan manufaktur, serta desain untuk memproduksi dan mengkarakterisasi material guna mencapai kesehatan, pendidikan, industri, ekonomi, budaya, dan bidang lainnya dari satu negara atau wilayah ke wilayah lain. Kemajuan diukur tanpa memandang negara atau wilayah². Selama 60 tahun, para ilmuwan material telah mencurahkan banyak waktu untuk satu tugas utama: pencarian material baru dan canggih. Penelitian terkini telah berfokus pada peningkatan kualitas dan kinerja material yang ada, serta sintesis dan penemuan jenis material yang sepenuhnya baru.
Penambahan unsur paduan, modifikasi mikrostruktur material, dan penerapan metode perlakuan termal, mekanik, atau termomekanik telah menghasilkan peningkatan signifikan pada sifat mekanik, kimia, dan fisik berbagai material. Selain itu, senyawa yang sebelumnya tidak dikenal telah berhasil disintesis. Upaya yang gigih ini telah melahirkan keluarga baru material inovatif yang secara kolektif dikenal sebagai Material Canggih². Nanokristal, nanopartikel, nanotube, titik kuantum, nol dimensi, kaca logam amorf, dan paduan entropi tinggi hanyalah beberapa contoh material canggih yang telah muncul di dunia sejak pertengahan abad lalu. Dalam pembuatan dan pengembangan paduan baru dengan sifat yang lebih baik, baik pada produk akhir maupun pada tahap antara produksinya, masalah ketidakseimbangan seringkali muncul. Sebagai hasil dari pengenalan teknik manufaktur baru yang memungkinkan penyimpangan signifikan dari keseimbangan, seluruh kelas baru paduan metastabil, yang dikenal sebagai kaca logam, telah ditemukan.
Karyanya di Caltech pada tahun 1960 merevolusi konsep paduan logam ketika ia mensintesis paduan kaca Au-25 at.% Si dengan cara memadatkan cairan secara cepat pada suhu hampir satu juta derajat per detik. 4 Penemuan Profesor Paul Duves tidak hanya menandai awal sejarah kaca logam (MS), tetapi juga menyebabkan pergeseran paradigma dalam cara orang berpikir tentang paduan logam. Sejak penelitian perintis pertama dalam sintesis paduan MS, hampir semua kaca logam telah sepenuhnya diperoleh menggunakan salah satu metode berikut: (i) pemadatan cepat lelehan atau uap, (ii) gangguan kisi atom, (iii) reaksi amorfisasi padat antara unsur logam murni dan (iv) transisi fase padat dari fase metastabil.
MG dibedakan oleh tidak adanya keteraturan atom jarak jauh yang terkait dengan kristal, yang merupakan karakteristik utama kristal. Di dunia modern, kemajuan besar telah dicapai di bidang kaca metalik. Ini adalah material baru dengan sifat-sifat menarik yang tidak hanya menarik bagi fisika zat padat, tetapi juga bagi metalurgi, kimia permukaan, teknologi, biologi, dan banyak bidang lainnya. Jenis material baru ini memiliki sifat-sifat yang berbeda dari logam keras, menjadikannya kandidat yang menarik untuk aplikasi teknologi di berbagai bidang. Mereka memiliki beberapa sifat penting: (i) daktilitas mekanik dan kekuatan luluh yang tinggi, (ii) permeabilitas magnetik yang tinggi, (iii) koersivitas rendah, (iv) ketahanan korosi yang luar biasa, (v) independensi suhu. Konduktivitas 6.7.
Paduan mekanik (MA)1,8 adalah metode yang relatif baru, pertama kali diperkenalkan pada tahun 19839 oleh Prof. KK Kok dan rekan-rekannya. Mereka menghasilkan bubuk Ni60Nb40 amorf dengan menggiling campuran unsur murni pada suhu ruangan yang sangat dekat dengan suhu kamar. Biasanya, reaksi MA dilakukan antara pengikatan difusi bubuk reaktan dalam reaktor, biasanya terbuat dari baja tahan karat, ke dalam penggiling bola. 10 (Gambar 1a, b). Sejak itu, metode reaksi keadaan padat yang diinduksi secara mekanis ini telah digunakan untuk menyiapkan bubuk paduan amorf/kaca logam baru menggunakan penggiling bola dan penggiling batang berenergi rendah (Gambar 1c) dan tinggi11,12,13,14,15,16. Secara khusus, metode ini telah digunakan untuk menyiapkan sistem yang tidak bercampur seperti Cu-Ta17 serta paduan titik leleh tinggi seperti Al-logam transisi (TM, Zr, Hf, Nb dan Ta)18,19 dan sistem Fe-W20. , yang tidak dapat diperoleh menggunakan metode memasak konvensional. Selain itu, MA dianggap sebagai salah satu alat nanoteknologi paling ampuh untuk produksi skala industri partikel bubuk nanokristalin dan nanokomposit oksida logam, karbida, nitrida, hidrida, nanotube karbon, nanodiamond, serta stabilisasi luas menggunakan pendekatan top-down. 1 dan tahap metastabil.
Skema yang menunjukkan metode fabrikasi yang digunakan untuk menyiapkan lapisan kaca metalik Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 dalam penelitian ini. (a) Persiapan bubuk paduan MC dengan berbagai konsentrasi Ni x (x; 10, 20, 30, dan 40 at.%) menggunakan metode penggilingan bola berenergi rendah. (a) Bahan awal dimasukkan ke dalam silinder perkakas bersama dengan bola baja perkakas dan (b) disegel dalam kotak sarung tangan berisi atmosfer He. (c) Model transparan dari wadah penggilingan yang menggambarkan pergerakan bola selama penggilingan. Produk bubuk akhir yang diperoleh setelah 50 jam digunakan untuk melapisi substrat SUS 304 dengan metode semprot dingin (d).
Dalam hal permukaan material curah (substrat), rekayasa permukaan melibatkan desain dan modifikasi permukaan (substrat) untuk memberikan sifat fisik, kimia, dan teknis tertentu yang tidak ada pada material curah aslinya. Beberapa sifat yang dapat ditingkatkan secara efektif melalui perlakuan permukaan meliputi ketahanan terhadap abrasi, oksidasi dan korosi, koefisien gesekan, bioinertness, sifat listrik, dan isolasi termal, hanya untuk menyebutkan beberapa. Kualitas permukaan dapat ditingkatkan dengan metode metalurgi, mekanik, atau kimia. Sebagai proses yang dikenal luas, pelapisan didefinisikan sebagai satu atau lebih lapisan material yang diaplikasikan secara artifisial ke permukaan objek curah (substrat) yang terbuat dari material lain. Dengan demikian, pelapisan digunakan sebagian untuk mencapai sifat teknis atau dekoratif yang diinginkan, serta untuk melindungi material dari interaksi kimia dan fisik yang diharapkan dengan lingkungan23.
Berbagai metode dan teknik dapat digunakan untuk mengaplikasikan lapisan pelindung yang sesuai mulai dari beberapa mikrometer (di bawah 10-20 mikrometer) hingga lebih dari 30 mikrometer atau bahkan beberapa milimeter ketebalannya. Secara umum, proses pelapisan dapat dibagi menjadi dua kategori: (i) metode pelapisan basah, termasuk elektroplating, pelapisan elektro, dan galvanisasi celup panas, dan (ii) metode pelapisan kering, termasuk penyolderan, pelapisan keras, deposisi uap fisik (PVD), deposisi uap kimia (CVD), teknik penyemprotan termal, dan yang lebih baru teknik penyemprotan dingin 24 (Gambar 1d).
Biofilm didefinisikan sebagai komunitas mikroba yang melekat secara permanen pada permukaan dan dikelilingi oleh polimer ekstraseluler (EPS) yang diproduksi sendiri. Pembentukan biofilm yang matang secara permukaan dapat menyebabkan kerugian signifikan di banyak industri, termasuk pengolahan makanan, sistem air, dan perawatan kesehatan. Pada manusia, dengan pembentukan biofilm, lebih dari 80% kasus infeksi mikroba (termasuk Enterobacteriaceae dan Staphylococci) sulit diobati. Selain itu, biofilm yang matang dilaporkan 1000 kali lebih resisten terhadap pengobatan antibiotik dibandingkan dengan sel bakteri planktonik, yang dianggap sebagai tantangan terapeutik utama. Secara historis, bahan pelapis permukaan antimikroba yang berasal dari senyawa organik umum telah digunakan. Meskipun bahan-bahan tersebut sering mengandung komponen beracun yang berpotensi berbahaya bagi manusia,25,26 hal ini dapat membantu menghindari penularan bakteri dan degradasi material.
Resistensi bakteri yang meluas terhadap pengobatan antibiotik karena pembentukan biofilm telah menyebabkan perlunya pengembangan permukaan berlapis membran antimikroba yang efektif dan dapat diaplikasikan dengan aman27. Pengembangan permukaan anti-adhesif fisik atau kimia yang tidak dapat diikat oleh sel bakteri dan membentuk biofilm karena adhesi merupakan pendekatan pertama dalam proses ini27. Teknologi kedua adalah mengembangkan lapisan yang memberikan bahan kimia antimikroba tepat di tempat yang dibutuhkan, dalam jumlah yang sangat terkonsentrasi dan disesuaikan. Hal ini dicapai melalui pengembangan bahan pelapis unik seperti graphene/germanium28, berlian hitam29 dan lapisan karbon mirip berlian yang didoping ZnO30 yang tahan terhadap bakteri, sebuah teknologi yang memaksimalkan pengembangan toksisitas dan resistensi karena pembentukan biofilm. Selain itu, lapisan yang mengandung bahan kimia germisida yang memberikan perlindungan jangka panjang terhadap kontaminasi bakteri semakin populer. Meskipun ketiga prosedur tersebut mampu memberikan aktivitas antimikroba pada permukaan yang dilapisi, masing-masing memiliki keterbatasan tersendiri yang harus dipertimbangkan saat mengembangkan strategi aplikasi.
Produk-produk yang saat ini ada di pasaran terhambat oleh kurangnya waktu untuk menganalisis dan menguji lapisan pelindung untuk bahan aktif biologis. Perusahaan mengklaim bahwa produk mereka akan memberikan pengguna aspek fungsional yang diinginkan, namun, hal ini telah menjadi kendala bagi keberhasilan produk-produk yang saat ini ada di pasaran. Senyawa yang berasal dari perak digunakan dalam sebagian besar antimikroba yang saat ini tersedia bagi konsumen. Produk-produk ini dirancang untuk melindungi pengguna dari paparan mikroorganisme yang berpotensi berbahaya. Efek antimikroba yang tertunda dan toksisitas senyawa perak yang terkait meningkatkan tekanan pada para peneliti untuk mengembangkan alternatif yang kurang berbahaya36,37. Menciptakan lapisan antimikroba global yang bekerja di dalam dan di luar tetap menjadi tantangan. Hal ini disertai dengan risiko kesehatan dan keselamatan yang terkait. Menemukan agen antimikroba yang kurang berbahaya bagi manusia dan mencari cara untuk menggabungkannya ke dalam substrat pelapis dengan masa simpan yang lebih lama adalah tujuan yang sangat dicari38. Bahan antimikroba dan antibiofilm terbaru dirancang untuk membunuh bakteri dari jarak dekat baik melalui kontak langsung atau setelah pelepasan agen aktif. Mereka dapat melakukan ini dengan menghambat pelekatan awal bakteri (termasuk mencegah pembentukan lapisan protein di permukaan) atau dengan membunuh bakteri melalui gangguan pada dinding sel.
Pada dasarnya, pelapisan permukaan adalah proses pemberian lapisan lain pada permukaan suatu komponen untuk meningkatkan karakteristik permukaannya. Tujuan pelapisan permukaan adalah untuk mengubah mikrostruktur dan/atau komposisi daerah dekat permukaan suatu komponen39. Metode pelapisan permukaan dapat dibagi menjadi beberapa metode yang dirangkum dalam Gambar 2a. Pelapisan dapat dibagi menjadi kategori termal, kimia, fisik, dan elektrokimia tergantung pada metode yang digunakan untuk membuat pelapisan tersebut.
(a) Gambar sisipan yang menunjukkan teknik fabrikasi permukaan utama, dan (b) beberapa kelebihan dan kekurangan metode semprot dingin.
Teknologi semprot dingin memiliki banyak kesamaan dengan teknik semprot termal tradisional. Namun, ada juga beberapa sifat fundamental utama yang membuat proses semprot dingin dan material semprot dingin menjadi sangat unik. Teknologi semprot dingin masih dalam tahap awal, tetapi memiliki masa depan yang cerah. Dalam beberapa kasus, sifat unik dari penyemprotan dingin menawarkan manfaat besar, mengatasi keterbatasan teknik semprot termal konvensional. Teknologi ini mengatasi keterbatasan signifikan dari teknologi semprot termal tradisional, di mana bubuk harus dilelehkan untuk diendapkan pada substrat. Jelas, proses pelapisan tradisional ini tidak cocok untuk material yang sangat sensitif terhadap suhu seperti nanokristal, nanopartikel, kaca amorf dan metalik40, 41, 42. Selain itu, material pelapis semprot termal selalu memiliki tingkat porositas dan oksida yang tinggi. Teknologi semprot dingin memiliki banyak keunggulan signifikan dibandingkan teknologi semprot termal, seperti (i) masukan panas minimal ke substrat, (ii) fleksibilitas dalam memilih lapisan substrat, (iii) tidak ada transformasi fasa dan pertumbuhan butir, (iv) kekuatan adhesi yang tinggi1,39 (Gambar 2b). Selain itu, bahan pelapis semprot dingin memiliki ketahanan korosi yang tinggi, kekuatan dan kekerasan yang tinggi, konduktivitas listrik yang tinggi, dan densitas yang tinggi41. Meskipun proses semprot dingin memiliki beberapa keunggulan, metode ini masih memiliki beberapa kekurangan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Ketika melapisi bubuk keramik murni seperti Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, dll., metode semprot dingin tidak dapat digunakan. Di sisi lain, bubuk komposit keramik/logam dapat digunakan sebagai bahan baku untuk pelapis. Hal yang sama berlaku untuk metode penyemprotan termal lainnya. Permukaan yang sulit dan bagian dalam pipa masih sulit untuk disemprot.
Mengingat bahwa penelitian ini ditujukan untuk penggunaan bubuk vitreous metalik sebagai bahan awal untuk pelapis, jelas bahwa penyemprotan termal konvensional tidak dapat digunakan untuk tujuan ini. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa bubuk vitreous metalik mengkristal pada suhu tinggi¹.
Sebagian besar instrumen yang digunakan dalam industri medis dan makanan terbuat dari paduan baja tahan karat austenitik (SUS316 dan SUS304) dengan kandungan kromium 12 hingga 20% berat untuk produksi instrumen bedah. Secara umum diterima bahwa penggunaan logam kromium sebagai unsur paduan dalam paduan baja dapat secara signifikan meningkatkan ketahanan korosi paduan baja standar. Paduan baja tahan karat, meskipun memiliki ketahanan korosi yang tinggi, tidak memiliki sifat antimikroba yang signifikan38,39. Hal ini kontras dengan ketahanan korosinya yang tinggi. Setelah itu, dapat diprediksi perkembangan infeksi dan peradangan, yang terutama disebabkan oleh adhesi dan kolonisasi bakteri pada permukaan biomaterial baja tahan karat. Kesulitan yang signifikan dapat muncul karena kesulitan yang signifikan terkait dengan jalur adhesi bakteri dan pembentukan biofilm, yang dapat menyebabkan kesehatan yang buruk, yang dapat memiliki banyak konsekuensi yang secara langsung atau tidak langsung dapat memengaruhi kesehatan manusia.
Studi ini merupakan fase pertama dari proyek yang didanai oleh Yayasan Kuwait untuk Kemajuan Sains (KFAS), kontrak no. 2010-550401, untuk menyelidiki kelayakan produksi bubuk terner Cu-Zr-Ni metalik amorf menggunakan teknologi MA (tabel). 1) Untuk produksi lapisan/pelindung permukaan antibakteri SUS304. Fase kedua proyek, yang akan dimulai pada Januari 2023, akan mempelajari secara detail karakteristik korosi galvanik dan sifat mekanik sistem tersebut. Uji mikrobiologi terperinci untuk berbagai jenis bakteri akan dilakukan.
Artikel ini membahas pengaruh kandungan paduan Zr terhadap kemampuan pembentukan kaca (GFA) berdasarkan karakteristik morfologi dan struktural. Selain itu, sifat antibakteri dari komposit kaca logam berlapis bubuk/SUS304 juga dibahas. Selanjutnya, penelitian yang sedang berlangsung telah dilakukan untuk menyelidiki kemungkinan transformasi struktural bubuk kaca logam yang terjadi selama penyemprotan dingin di daerah cairan superdingin dari sistem kaca logam yang dibuat. Paduan kaca logam Cu50Zr30Ni20 dan Cu50Zr20Ni30 digunakan sebagai contoh representatif dalam penelitian ini.
Bagian ini menyajikan perubahan morfologi pada bubuk unsur Cu, Zr, dan Ni selama penggilingan bola berenergi rendah. Dua sistem berbeda yang terdiri dari Cu50Zr20Ni30 dan Cu50Zr40Ni10 akan digunakan sebagai contoh ilustrasi. Proses MA dapat dibagi menjadi tiga tahap terpisah, sebagaimana dibuktikan oleh karakterisasi metalografi bubuk yang diperoleh pada tahap penggilingan (Gambar 3).
Karakteristik metalografi serbuk paduan mekanik (MA) yang diperoleh setelah berbagai tahap penggilingan bola. Gambar mikroskop elektron pemindaian emisi medan (FE-SEM) dari serbuk MA dan Cu50Zr40Ni10 yang diperoleh setelah penggilingan bola energi rendah selama 3, 12 dan 50 jam ditunjukkan pada (a), (c) dan (e) untuk sistem Cu50Zr20Ni30, sementara pada MA yang sama. Gambar yang sesuai dari sistem Cu50Zr40Ni10 yang diambil setelah beberapa waktu ditunjukkan pada (b), (d), dan (f).
Selama proses penggilingan bola, energi kinetik efektif yang dapat ditransfer ke bubuk logam dipengaruhi oleh kombinasi parameter, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Ini termasuk tumbukan antara bola dan bubuk, kompresi geser bubuk yang terjebak di antara atau di antara media penggilingan, benturan dari bola yang jatuh, geser dan keausan yang disebabkan oleh gesekan bubuk di antara benda-benda yang bergerak dari penggiling bola, dan gelombang kejut yang melewati bola yang jatuh dan merambat melalui media penggilingan (Gambar 1a). Elemen-elemen Cu, Zr, dan Ni dapat digunakan untuk menentukan jumlah yang diperlukan untuk МА (3 ч), что привело к образованию крупных частиц порошка (> 1 mm dalam sehari). Serbuk unsur Cu, Zr, dan Ni mengalami deformasi parah akibat pengelasan dingin pada tahap awal MA (3 jam), yang menyebabkan terbentuknya partikel serbuk berukuran besar (> 1 mm diameter).Partikel komposit besar ini dicirikan oleh pembentukan lapisan tebal unsur paduan (Cu, Zr, Ni), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a,b. Peningkatan waktu MA menjadi 12 jam (tahap menengah) menyebabkan peningkatan energi kinetik penggiling bola, yang menyebabkan dekomposisi bubuk komposit menjadi bubuk yang lebih kecil (kurang dari 200 μm), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3c,d. Pada tahap ini, gaya geser yang diterapkan menyebabkan pembentukan permukaan logam baru dengan lapisan tipis Cu, Zr, Ni, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3c,d. Sebagai hasil dari penggilingan lapisan pada antarmuka serpihan, reaksi fase padat terjadi dengan pembentukan fase baru.
Pada puncak proses MA (setelah 50 jam), metalografi serpihan hampir tidak terlihat (Gambar 3e, f), dan metalografi cermin diamati pada permukaan bubuk yang dipoles. Ini berarti bahwa proses MA telah selesai dan fase reaksi tunggal telah terbentuk. Komposisi unsur dari daerah yang ditunjukkan pada Gambar 3e (I, II, III), f, v, vi) ditentukan menggunakan mikroskop elektron pemindaian emisi medan (FE-SEM) yang dikombinasikan dengan spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDS). (IV).
Pada tabel 2, konsentrasi unsur paduan ditunjukkan sebagai persentase dari total massa setiap wilayah yang dipilih pada gambar 3e, f. Membandingkan hasil ini dengan komposisi nominal awal Cu50Zr20Ni30 dan Cu50Zr40Ni10 yang diberikan pada Tabel 1 menunjukkan bahwa komposisi kedua produk akhir ini sangat dekat dengan komposisi nominal. Selain itu, nilai relatif komponen untuk wilayah yang tercantum pada Gambar 3e,f tidak menunjukkan penurunan atau variasi yang signifikan dalam komposisi setiap sampel dari satu wilayah ke wilayah lain. Hal ini dibuktikan dengan fakta bahwa tidak ada perubahan komposisi dari satu wilayah ke wilayah lain. Ini menunjukkan produksi bubuk paduan yang seragam seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2.
Mikrograf FE-SEM dari bubuk produk akhir Cu50(Zr50-xNix) diperoleh setelah 50 kali MA, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a-d, di mana x masing-masing adalah 10, 20, 30 dan 40 at.%. Setelah langkah penggilingan ini, bubuk tersebut menggumpal karena efek van der Waals, yang menyebabkan terbentuknya agregat besar yang terdiri dari partikel ultrahalus dengan diameter 73 hingga 126 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Karakteristik morfologi serbuk Cu50(Zr50-xNix) yang diperoleh setelah MA 50 jam. Untuk sistem Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, gambar FE-SEM dari serbuk yang diperoleh setelah MA 50 jam ditunjukkan pada (a), (b), (c), dan (d), masing-masing.
Sebelum memasukkan serbuk ke dalam pengumpan semprot dingin, serbuk tersebut terlebih dahulu disonikasi dalam etanol kelas analitik selama 15 menit dan kemudian dikeringkan pada suhu 150°C selama 2 jam. Langkah ini harus dilakukan untuk mengatasi aglomerasi, yang sering menyebabkan banyak masalah serius dalam proses pelapisan. Setelah proses MA selesai, studi lebih lanjut dilakukan untuk menyelidiki homogenitas serbuk paduan. Pada Gambar 5a–d menunjukkan mikrograf FE-SEM dan gambar EDS yang sesuai dari unsur paduan Cu, Zr, dan Ni dari paduan Cu50Zr30Ni20 yang diambil setelah waktu M 50 jam, masing-masing. Perlu dicatat bahwa serbuk paduan yang diperoleh setelah langkah ini homogen, karena tidak menunjukkan fluktuasi komposisi di luar tingkat sub-nanometer, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Morfologi dan distribusi lokal unsur-unsur dalam bubuk MG Cu50Zr30Ni20 yang diperoleh setelah 50 MA dengan FE-SEM/Spektroskopi Sinar-X Dispersif Energi (EDS). (a) Pencitraan SEM dan X-ray EDS dari (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα, dan (d) Ni-Kα.
Pola difraksi sinar-X dari serbuk Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, dan Cu50Zr20Ni30 yang diolah secara mekanis setelah MA selama 50 jam ditunjukkan pada Gambar 6a–d, berturut-turut. Setelah tahap penggilingan ini, semua sampel dengan konsentrasi Zr yang berbeda memiliki struktur amorf dengan pola difusi halo karakteristik yang ditunjukkan pada Gambar 6.
Pola difraksi sinar-X dari serbuk Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), dan Cu50Zr20Ni30 (d) setelah MA selama 50 jam. Pola halo-difusi diamati pada semua sampel tanpa kecuali, menunjukkan pembentukan fase amorf.
Mikroskop elektron transmisi emisi medan resolusi tinggi (FE-HRTEM) digunakan untuk mengamati perubahan struktural dan memahami struktur lokal serbuk yang dihasilkan dari penggilingan bola pada waktu MA yang berbeda. Gambar serbuk yang diperoleh dengan metode FE-HRTEM setelah tahap awal (6 jam) dan menengah (18 jam) penggilingan serbuk Cu50Zr30Ni20 dan Cu50Zr40Ni10 ditunjukkan pada Gambar 7a. Menurut gambar medan terang (BFI) dari serbuk yang diperoleh setelah 6 jam MA, serbuk tersebut terdiri dari butiran besar dengan batas yang jelas dari unsur fcc-Cu, hcp-Zr, dan fcc-Ni, dan tidak ada tanda-tanda pembentukan fase reaksi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7a. Selain itu, pola difraksi area terpilih (SADP) yang berkorelasi yang diambil dari wilayah tengah (a) menunjukkan pola difraksi yang tajam (Gambar 7b) yang menunjukkan adanya kristalit besar dan tidak adanya fase reaktif.
Karakteristik struktur lokal serbuk MA yang diperoleh setelah tahap awal (6 jam) dan menengah (18 jam). (a) Mikroskop elektron transmisi emisi medan resolusi tinggi (FE-HRTEM) dan (b) difraktogram area terpilih (SADP) yang sesuai dari serbuk Cu50Zr30Ni20 setelah perlakuan MA selama 6 jam. Gambar FE-HRTEM dari Cu50Zr40Ni10 yang diperoleh setelah MA 18 jam ditunjukkan pada (c).
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7c, peningkatan durasi MA menjadi 18 jam menyebabkan cacat kisi yang serius dikombinasi dengan deformasi plastis. Pada tahap menengah proses MA ini, berbagai cacat muncul dalam serbuk, termasuk kesalahan penumpukan, cacat kisi, dan cacat titik (Gambar 7). Cacat-cacat ini menyebabkan fragmentasi butiran besar di sepanjang batas butiran menjadi subbutiran yang lebih kecil dari 20 nm (Gambar 7c).
Struktur lokal serbuk Cu50Z30Ni20 yang digiling selama 36 jam MA ditandai dengan pembentukan nanograin ultrahalus yang tertanam dalam matriks tipis amorf, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8a. Analisis lokal EMF menunjukkan bahwa nanokluster yang ditunjukkan pada Gambar 8a terkait dengan paduan serbuk Cu, Zr, dan Ni yang tidak diolah. Kandungan Cu dalam matriks bervariasi dari ~32 at.% (zona miskin) hingga ~74 at.% (zona kaya), yang menunjukkan pembentukan produk heterogen. Selain itu, SADP yang sesuai dari serbuk yang diperoleh setelah penggilingan pada langkah ini menunjukkan cincin fase amorf halo-difusi primer dan sekunder yang tumpang tindih dengan titik-titik tajam yang terkait dengan unsur-unsur paduan yang tidak diolah ini, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8b.
Fitur struktur lokal skala nano dari bubuk Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20. (a) Citra medan terang (BFI) dan (b) SADP yang sesuai dari bubuk Cu50Zr30Ni20 yang diperoleh setelah penggilingan selama 36 jam MA.
Menjelang akhir proses MA (50 jam), serbuk Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30, dan 40 at.%, tanpa terkecuali, memiliki morfologi labirin dari fase amorf, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. Baik difraksi titik maupun pola annular tajam tidak dapat dideteksi dalam SADS yang sesuai dari setiap komposisi. Ini menunjukkan tidak adanya logam kristal yang tidak diolah, melainkan pembentukan serbuk paduan amorf. SADP yang berkorelasi ini yang menunjukkan pola difusi halo juga digunakan sebagai bukti perkembangan fase amorf dalam material produk akhir.
Struktur lokal produk akhir dari sistem Cu50 MS (Zr50-xNix). FE-HRTEM dan pola difraksi nanobeam berkorelasi (NBDP) dari (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30, dan (d) Cu50Zr10Ni40 yang diperoleh setelah 50 jam MA.
Dengan menggunakan kalorimetri pemindaian diferensial, stabilitas termal suhu transisi kaca (Tg), daerah cairan superdingin (ΔTx) dan suhu kristalisasi (Tx) dipelajari bergantung pada kandungan Ni (x) dalam sistem amorf Cu50(Zr50-xNix). Sifat (DSC) dalam aliran gas He. Kurva DSC dari bubuk paduan amorf Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, dan Cu50Zr10Ni40 yang diperoleh setelah MA selama 50 jam ditunjukkan pada Gambar 10a, b, e, masing-masing. Sementara itu, kurva DSC dari Cu50Zr20Ni30 amorf ditunjukkan secara terpisah pada Gambar 10c. Sementara itu, sampel Cu50Zr30Ni20 yang dipanaskan hingga ~700°C dalam DSC ditunjukkan pada Gambar 10g.
Stabilitas termal serbuk Cu50(Zr50-xNix) MG yang diperoleh setelah MA selama 50 jam ditentukan oleh suhu transisi kaca (Tg), suhu kristalisasi (Tx), dan daerah cairan superdingin (ΔTx). Termogram kalorimeter pemindaian diferensial (DSC) serbuk paduan Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), dan (e) serbuk paduan Cu50Zr10Ni40 MG setelah MA selama 50 jam. Pola difraksi sinar-X (XRD) dari sampel Cu50Zr30Ni20 yang dipanaskan hingga ~700°C dalam DSC ditunjukkan pada (d).
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10, kurva DSC untuk semua komposisi dengan konsentrasi nikel (x) yang berbeda menunjukkan dua kasus berbeda, satu endotermik dan yang lainnya eksotermik. Peristiwa endotermik pertama sesuai dengan Tg, dan yang kedua terkait dengan Tx. Area rentang horizontal yang ada antara Tg dan Tx disebut area cairan subdingin (ΔTx = Tx – Tg). Hasil menunjukkan bahwa Tg dan Tx dari sampel Cu50Zr40Ni10 (Gambar 10a) yang ditempatkan pada 526°C dan 612°C menggeser kandungan (x) hingga 20 at % ke arah sisi suhu rendah 482°C dan 563°C dengan meningkatnya kandungan Ni (x), masing-masing, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10b. Akibatnya, ΔTx Cu50Zr40Ni10 menurun dari 86°C (Gambar 10a) menjadi 81°C untuk Cu50Zr30Ni20 (Gambar 10b). Untuk paduan MC Cu50Zr40Ni10, penurunan nilai Tg, Tx, dan ΔTx hingga mencapai 447°C, 526°C, dan 79°C juga diamati (Gambar 10b). Hal ini menunjukkan bahwa peningkatan kandungan Ni menyebabkan penurunan stabilitas termal paduan MS. Sebaliknya, nilai Tg (507 °C) dari paduan MC Cu50Zr20Ni30 lebih rendah daripada paduan MC Cu50Zr40Ni10; namun demikian, Tx-nya menunjukkan nilai yang sebanding (612 °C). Oleh karena itu, ΔTx memiliki nilai yang lebih tinggi (87°C) seperti yang ditunjukkan pada gambar abad ke-10.
Sistem Cu50(Zr50-xNix) MC, menggunakan paduan Cu50Zr20Ni30 MC sebagai contoh, mengkristal melalui puncak eksotermik yang tajam menjadi fase kristal fcc-ZrCu5, ortorombik-Zr7Cu10, dan ortorombik-ZrNi (Gambar 10c). Transisi fase dari amorf ke kristal ini dikonfirmasi oleh analisis difraksi sinar-X dari sampel MG (Gambar 10d) yang dipanaskan hingga 700 °C dalam DSC.
Gambar 11 menunjukkan foto-foto yang diambil selama proses penyemprotan dingin yang dilakukan dalam penelitian ini. Dalam penelitian ini, partikel bubuk kaca logam yang disintesis setelah MA selama 50 jam (menggunakan Cu50Zr20Ni30 sebagai contoh) digunakan sebagai bahan baku antibakteri, dan pelat baja tahan karat (SUS304) dilapisi dengan penyemprotan dingin. Metode penyemprotan dingin dipilih untuk pelapisan dalam rangkaian teknologi penyemprotan termal karena merupakan metode yang paling efisien dalam rangkaian teknologi penyemprotan termal di mana metode ini dapat digunakan untuk material logam metastabil yang sensitif terhadap panas seperti bubuk amorf dan nanokristalin. Tidak mengalami transisi fase. Ini adalah faktor utama dalam memilih metode ini. Proses pengendapan dingin dilakukan menggunakan partikel berkecepatan tinggi yang mengubah energi kinetik partikel menjadi deformasi plastis, deformasi, dan panas saat terjadi benturan dengan substrat atau partikel yang telah diendapkan sebelumnya.
Foto lapangan menunjukkan prosedur penyemprotan dingin yang digunakan untuk lima persiapan MG/SUS 304 secara berurutan pada suhu 550°C.
Energi kinetik partikel, serta momentum setiap partikel selama pembentukan lapisan, harus diubah menjadi bentuk energi lain melalui mekanisme seperti deformasi plastis (interaksi partikel primer dan antarpartikel dalam matriks dan interaksi partikel), simpul interstisial padatan, rotasi antarpartikel, deformasi dan pemanasan pembatas 39. Selain itu, jika tidak semua energi kinetik yang masuk diubah menjadi energi termal dan energi deformasi, hasilnya akan berupa tumbukan elastis, yang berarti partikel hanya memantul setelah tumbukan. Telah dicatat bahwa 90% energi tumbukan yang diterapkan pada material partikel/substrat diubah menjadi panas lokal 40. Selain itu, ketika tegangan tumbukan diterapkan, laju regangan plastis yang tinggi dicapai di wilayah kontak partikel/substrat dalam waktu yang sangat singkat41,42.
Deformasi plastis biasanya dianggap sebagai proses disipasi energi, atau lebih tepatnya, sebagai sumber panas di wilayah antarmuka. Namun, peningkatan suhu di wilayah antarmuka biasanya tidak cukup untuk terjadinya peleburan antarmuka atau stimulasi signifikan terhadap difusi timbal balik atom. Tidak ada publikasi yang diketahui oleh penulis yang telah meneliti pengaruh sifat-sifat serbuk vitreous metalik ini terhadap adhesi dan pengendapan serbuk yang terjadi saat menggunakan teknik semprot dingin.
Pola difraksi berkas nano (BFI) dari serbuk paduan MG Cu50Zr20Ni30 dapat dilihat pada Gambar 12a, yang diendapkan pada substrat SUS 304 (Gambar 11, 12b). Seperti yang terlihat pada gambar, serbuk yang dilapisi mempertahankan struktur amorf aslinya karena memiliki struktur labirin yang halus tanpa fitur kristal atau cacat kisi. Di sisi lain, gambar tersebut menunjukkan adanya fase asing, seperti yang dibuktikan oleh nanopartikel yang termasuk dalam matriks serbuk berlapis MG (Gambar 12a). Gambar 12c menunjukkan pola difraksi berkas nano terindeks (NBDP) yang terkait dengan wilayah I (Gambar 12a). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12c, NBDP menunjukkan pola halo-difusi lemah dari struktur amorf dan berdampingan dengan bintik-bintik tajam yang sesuai dengan fase Zr2Ni metastabil kubik besar kristalin ditambah fase CuO tetragonal. Pembentukan CuO dapat dijelaskan oleh oksidasi serbuk saat berpindah dari nosel pistol semprot ke SUS 304 di udara terbuka dalam aliran supersonik. Di sisi lain, devitrifikasi serbuk logam amorf menghasilkan pembentukan fase kubik besar setelah perlakuan semprot dingin pada suhu 550°C selama 30 menit.
(a) Gambar FE-HRTEM dari bubuk MG yang diendapkan pada (b) substrat SUS 304 (Gambar sisipan). Indeks NBDP dari simbol lingkaran yang ditunjukkan pada (a) ditunjukkan pada (c).
Untuk menguji mekanisme potensial pembentukan nanopartikel Zr2Ni kubik berukuran besar ini, sebuah eksperimen independen dilakukan. Dalam eksperimen ini, bubuk disemprotkan dari alat penyemprot pada suhu 550°C ke arah substrat SUS 304; namun, untuk menentukan efek anil, bubuk dihilangkan dari strip SUS304 secepat mungkin (sekitar 60 detik). Serangkaian eksperimen lain dilakukan di mana bubuk dihilangkan dari substrat sekitar 180 detik setelah diaplikasikan.
Gambar 13a dan 13b menunjukkan citra Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) dark field (DFI) dari dua material yang diendapkan dengan metode sputtering pada substrat SUS 304 selama 60 detik dan 180 detik, berturut-turut. Citra serbuk yang diendapkan selama 60 detik tidak memiliki detail morfologi, menunjukkan tidak adanya fitur (Gambar 13a). Hal ini juga dikonfirmasi oleh XRD, yang menunjukkan bahwa struktur keseluruhan serbuk ini bersifat amorf, seperti yang ditunjukkan oleh puncak difraksi primer dan sekunder yang lebar seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14a. Ini menunjukkan tidak adanya endapan metastabil/mesofase, di mana serbuk mempertahankan struktur amorf aslinya. Sebaliknya, serbuk yang diendapkan pada suhu yang sama (550°C) tetapi dibiarkan pada substrat selama 180 detik menunjukkan pengendapan butiran berukuran nano, seperti yang ditunjukkan oleh panah pada Gambar 13b.