Terima kasih telah mengunjungi Nature.com. Versi browser yang Anda gunakan memiliki dukungan terbatas untuk CSS. Untuk pengalaman terbaik, kami sarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau matikan 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 jika melibatkan peralatan medis. Masalah ini menghadirkan tantangan besar bagi komunitas medis, karena antibiotik standar hanya dapat membasmi biofilm hingga tingkat yang sangat terbatas. Pencegahan pembentukan biofilm telah menghasilkan pengembangan berbagai metode pelapisan dan material baru. Metode ini bertujuan untuk melapisi permukaan dengan cara yang menghambat pembentukan biofilm. Paduan logam seperti kaca, terutama yang mengandung logam tembaga dan titanium, telah muncul sebagai pelapis antimikroba yang ideal. Pada saat yang sama, penggunaan teknologi semprotan dingin telah meningkat karena merupakan metode yang cocok untuk memproses material yang sensitif terhadap suhu. Salah satu tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengembangkan film kaca metalik antibakteri baru yang terdiri dari Cu-Zr-Ni terner menggunakan teknik paduan mekanis. Bubuk bulat yang menyusun produk akhir digunakan sebagai bahan baku untuk pelapisan semprotan dingin permukaan baja tahan karat pada suhu rendah. Substrat yang dilapisi dengan kaca metalik mampu mengurangi pembentukan biofilm secara signifikan setidaknya 1 log dibandingkan dengan baja tahan karat.
Sepanjang sejarah manusia, masyarakat mana pun telah mampu merancang dan mempromosikan pengenalan material baru yang memenuhi persyaratan spesifiknya, yang menghasilkan peningkatan kinerja dan peringkat dalam ekonomi global1. Hal ini selalu dikaitkan dengan kemampuan manusia untuk mengembangkan material dan peralatan fabrikasi serta desain untuk fabrikasi dan karakterisasi material untuk mencapai keuntungan dalam kesehatan, pendidikan, industri, ekonomi, budaya, dan bidang lain dari satu negara atau kawasan ke kawasan atau kawasan lainnya. Kemajuan diukur tanpa memandang negara atau kawasan. 2 Selama 60 tahun, ilmuwan material telah mengabdikan sebagian besar waktu mereka untuk berfokus pada satu perhatian utama: pencarian material baru dan mutakhir. Penelitian terkini berfokus pada peningkatan kualitas dan kinerja material yang ada, serta mensintesis dan menciptakan jenis material yang benar-benar baru.
Penambahan unsur paduan, modifikasi mikrostruktur material, dan penerapan teknik pemrosesan termal, mekanis, atau termo-mekanis telah menghasilkan peningkatan signifikan pada sifat mekanis, kimia, dan fisik berbagai material yang berbeda. Lebih jauh lagi, senyawa yang belum pernah terdengar sebelumnya telah berhasil disintesis pada titik ini. Upaya gigih ini telah melahirkan keluarga baru material inovatif, yang secara kolektif dikenal sebagai Material Canggih2. Nanokristal, nanopartikel, nanotube, titik kuantum, kaca metalik amorf berdimensi nol, dan paduan entropi tinggi hanyalah beberapa contoh material canggih yang diperkenalkan ke dunia sejak pertengahan abad lalu. Saat memproduksi dan mengembangkan paduan baru dengan sifat unggul, baik dalam produk akhir atau tahap antara produksinya, masalah ketidakseimbangan sering kali muncul. Sebagai hasil dari penerapan teknik fabrikasi baru yang menyimpang secara signifikan dari kesetimbangan, kelas baru paduan metastabil, yang dikenal sebagai kaca metalik, telah ditemukan.
Karyanya di Caltech pada tahun 1960 membawa revolusi dalam konsep paduan logam ketika ia mensintesis kaca Au-25 pada paduan Si % dengan memadatkan cairan secara cepat pada hampir satu juta derajat per detik. 4. Peristiwa penemuan Profesor Pol Duwezs tidak hanya menandai dimulainya sejarah kaca metalik (MG), tetapi juga menyebabkan perubahan paradigma dalam cara orang berpikir tentang paduan logam. Sejak studi perintis paling awal dalam sintesis paduan MG, hampir semua kaca metalik telah diproduksi sepenuhnya dengan menggunakan salah satu metode berikut; (i) pemadatan cepat lelehan atau uap, (ii) gangguan atom kisi, (iii) reaksi amorfisasi keadaan padat antara unsur-unsur logam murni, dan (iv) transisi keadaan padat dari fase metastabil.
MG dibedakan berdasarkan tidak adanya tatanan atom jarak jauh yang terkait dengan kristal, yang merupakan karakteristik penentu kristal. Di dunia saat ini, kemajuan besar telah dicapai dalam bidang kaca metalik. Mereka adalah material baru dengan sifat-sifat menarik yang tidak hanya menarik dalam fisika keadaan padat, tetapi juga dalam metalurgi, kimia permukaan, teknologi, biologi, dan banyak bidang lainnya. Jenis material baru ini menunjukkan sifat-sifat yang berbeda dari logam padat, menjadikannya kandidat yang menarik untuk aplikasi teknologi di berbagai bidang. Mereka memiliki beberapa sifat penting; (i) keuletan mekanis dan kekuatan luluh yang tinggi, (ii) permeabilitas magnetik yang tinggi, (iii) koersivitas rendah, (iv) ketahanan korosi yang tidak biasa, (v) independensi suhu Konduktivitas 6,7.
Paduan mekanis (MA)1,8 merupakan teknik yang relatif baru, pertama kali diperkenalkan pada tahun 1983 oleh Prof. CC Kock dan rekan-rekannya. Mereka menyiapkan bubuk Ni60Nb40 amorf dengan menggiling campuran unsur murni pada suhu kamar yang sangat mendekati suhu kamar. Biasanya, reaksi MA dilakukan antara penggandengan difusif serbuk material reaktan dalam reaktor, biasanya terbuat dari baja tahan karat ke dalam ball mill 10 (Gbr. 1a, b). Sejak saat itu, teknik reaksi solid-state yang diinduksi secara mekanis ini telah digunakan untuk menyiapkan serbuk paduan kaca amorf/metalik baru menggunakan ball mill berenergi rendah (Gbr. 1c) dan tinggi, serta rod mill11,12,13,14,15 , 16. Secara khusus, metode ini telah digunakan untuk menyiapkan sistem yang tidak dapat bercampur seperti Cu-Ta17, serta paduan titik leleh tinggi seperti sistem logam transisi Al (TM; Zr, Hf, Nb dan Ta)18,19 dan Fe-W20 , yang tidak dapat diperoleh dengan menggunakan rute persiapan konvensional. Lebih jauh lagi, MA dianggap sebagai salah satu alat nanoteknologi paling kuat untuk persiapan partikel serbuk nanokristalin dan nanokomposit skala industri dari oksida logam, karbida, nitrida, hidrida, karbon nanotube, nanoberlian, Serta stabilisasi luas melalui pendekatan atas-bawah 1 dan tahap metastabil.
Skema yang menunjukkan metode fabrikasi yang digunakan untuk menyiapkan lapisan kaca metalik (MG) Cu50(Zr50−xNix)/SUS 304 dalam penelitian ini. (a) Persiapan bubuk paduan MG dengan berbagai konsentrasi Ni x (x; 10, 20, 30 dan 40 at.%) menggunakan teknik penggilingan bola energi rendah. (a) Material awal dimuat ke dalam silinder perkakas bersama dengan bola baja perkakas, dan (b) disegel dalam kotak sarung tangan yang diisi dengan atmosfer He. (c) Model transparan bejana penggilingan yang menggambarkan gerakan bola selama penggilingan. Produk akhir bubuk yang diperoleh setelah 50 jam digunakan untuk melapisi substrat SUS 304 menggunakan metode semprotan dingin (d).
Bila menyangkut permukaan material curah (substrat), rekayasa permukaan melibatkan desain dan modifikasi permukaan (substrat) untuk menyediakan kualitas fisik, kimia, dan teknis tertentu yang tidak terkandung dalam material curah asli. Beberapa sifat yang dapat ditingkatkan secara efektif melalui perawatan permukaan meliputi ketahanan terhadap abrasi, ketahanan terhadap oksidasi dan korosi, koefisien gesekan, bio-inertness, sifat listrik, dan isolasi termal, untuk menyebutkan beberapa saja. Kualitas permukaan dapat ditingkatkan dengan menggunakan teknik metalurgi, mekanik, atau kimia. Sebagai proses yang terkenal, pelapisan didefinisikan secara sederhana sebagai satu atau beberapa lapisan material yang diendapkan secara artifisial pada permukaan objek curah (substrat) yang terbuat dari material lain. Dengan demikian, pelapisan digunakan sebagian untuk mencapai beberapa sifat teknis atau dekoratif yang diinginkan, serta untuk melindungi material dari interaksi kimia dan fisik yang diharapkan dengan lingkungan sekitarnya23.
Untuk menyimpan lapisan perlindungan permukaan yang sesuai dengan ketebalan mulai dari beberapa mikrometer (di bawah 10-20 mikrometer) hingga lebih dari 30 mikrometer atau bahkan beberapa milimeter, banyak metode dan teknik yang dapat diterapkan. Secara umum, proses pelapisan dapat dibagi menjadi dua kategori: (i) metode pelapisan basah, termasuk pelapisan listrik, pelapisan tanpa listrik, dan metode galvanisasi celup panas, dan (ii) metode pelapisan kering, termasuk penyolderan, pelapisan permukaan, deposisi uap fisik (PVD), deposisi uap kimia (CVD), teknik penyemprotan termal, dan yang lebih baru lagi teknik penyemprotan dingin 24 (Gbr. 1d).
Biofilm didefinisikan sebagai komunitas mikroba yang melekat secara ireversibel pada permukaan dan dikelilingi oleh polimer ekstraseluler (EPS) yang diproduksi sendiri. Pembentukan biofilm yang matang secara superfisial dapat menyebabkan kerugian yang signifikan di banyak sektor industri, termasuk industri makanan, sistem air, dan lingkungan perawatan kesehatan. Pada manusia, ketika biofilm terbentuk, lebih dari 80% kasus infeksi mikroba (termasuk Enterobacteriaceae dan Staphylococci) sulit diobati. Lebih jauh lagi, biofilm yang matang telah dilaporkan 1000 kali lipat lebih resistan terhadap pengobatan antibiotik dibandingkan dengan sel bakteri planktonik, yang dianggap sebagai tantangan terapeutik utama. Bahan pelapis permukaan antimikroba yang berasal dari senyawa organik konvensional secara historis telah digunakan. Meskipun bahan-bahan tersebut sering mengandung komponen beracun yang berpotensi berisiko bagi manusia,25,26 hal itu dapat membantu menghindari penularan bakteri dan kerusakan bahan.
Resistansi bakteri yang meluas terhadap perawatan antibiotik karena pembentukan biofilm telah menyebabkan perlunya mengembangkan permukaan berlapis membran antimikroba yang efektif yang dapat diaplikasikan dengan aman27. Pengembangan permukaan anti-adheren fisik atau kimia yang menghambat sel bakteri untuk mengikat dan membentuk biofilm karena adhesi adalah pendekatan pertama dalam proses ini27. Teknologi kedua adalah mengembangkan pelapis yang memungkinkan bahan kimia antimikroba dikirimkan tepat ke tempat yang dibutuhkan, dalam jumlah yang sangat terkonsentrasi dan disesuaikan. Hal ini dicapai dengan mengembangkan bahan pelapis unik seperti grafena/germanium28, berlian hitam29 dan lapisan karbon seperti berlian yang didoping ZnO30 yang tahan terhadap bakteri, sebuah teknologi yang memaksimalkan Toksisitas dan perkembangan resistansi karena pembentukan biofilm berkurang secara signifikan. Selain itu, pelapis yang menggabungkan bahan kimia kuman ke dalam permukaan untuk memberikan perlindungan jangka panjang dari kontaminasi bakteri menjadi semakin populer. Meskipun ketiga prosedur tersebut mampu menghasilkan efek antimikroba pada permukaan yang dilapisi, masing-masing memiliki serangkaian keterbatasan sendiri yang harus dipertimbangkan saat mengembangkan strategi aplikasi.
Produk yang saat ini beredar di pasaran terhambat oleh kurangnya waktu untuk menganalisis dan menguji lapisan pelindung untuk bahan aktif biologis. Perusahaan mengklaim bahwa produk mereka akan memberi pengguna aspek fungsional yang diinginkan; Namun, hal ini menjadi kendala bagi keberhasilan produk yang saat ini beredar di pasaran. Senyawa yang berasal dari perak digunakan dalam sebagian besar terapi antimikroba yang sekarang tersedia bagi konsumen. Produk ini dikembangkan untuk melindungi pengguna dari efek mikroorganisme yang berpotensi berbahaya. Efek antimikroba yang tertunda dan toksisitas senyawa perak yang terkait meningkatkan tekanan pada peneliti untuk mengembangkan alternatif yang kurang berbahaya36,37. Menciptakan lapisan antimikroba global yang bekerja di dalam dan luar ruangan masih terbukti menjadi tugas yang menakutkan. Ini karena risiko terkait terhadap kesehatan dan keselamatan. Menemukan agen antimikroba yang kurang berbahaya bagi manusia dan mencari tahu cara memasukkannya ke dalam substrat pelapis dengan masa simpan yang lebih lama adalah tujuan yang sangat dicari38. Bahan antimikroba dan anti-biofilm terbaru dirancang untuk membunuh bakteri dari jarak dekat, baik melalui kontak langsung atau setelah agen aktif dilepaskan. Mereka dapat melakukan ini dengan menghambat adhesi bakteri awal (termasuk menangkal pembentukan lapisan protein pada permukaan) atau dengan membunuh bakteri dengan mengganggu dinding sel.
Secara fundamental, pelapisan permukaan adalah proses penempatan lapisan lain pada permukaan suatu komponen untuk meningkatkan kualitas yang berhubungan dengan permukaan. Tujuan pelapisan permukaan adalah untuk menyesuaikan mikrostruktur dan/atau komposisi daerah dekat permukaan komponen39. Teknik pelapisan permukaan dapat dibagi menjadi beberapa metode, yang dirangkum dalam Gambar 2a. Pelapisan dapat dibagi lagi menjadi kategori termal, kimia, fisika, dan elektrokimia, tergantung pada metode yang digunakan untuk membuat pelapisan.
(a) Sisipan yang menunjukkan teknik fabrikasi utama yang digunakan untuk permukaan, dan (b) keuntungan dan kerugian terpilih dari teknik penyemprotan dingin.
Teknologi semprotan dingin memiliki banyak kesamaan dengan metode semprotan termal konvensional. Namun, ada juga beberapa sifat dasar utama yang membuat proses semprotan dingin dan bahan semprotan dingin menjadi sangat unik. Teknologi semprotan dingin masih dalam tahap awal, tetapi memiliki masa depan yang cerah. Dalam aplikasi tertentu, sifat unik semprotan dingin menawarkan manfaat besar, mengatasi keterbatasan inheren dari metode semprotan termal yang umum. Ini menyediakan cara untuk mengatasi keterbatasan signifikan dari teknologi semprotan termal tradisional, di mana bubuk harus dicairkan untuk mengendap pada substrat. Jelas, proses pelapisan tradisional ini tidak cocok untuk bahan yang sangat sensitif terhadap suhu seperti nanokristal, nanopartikel, kaca amorf dan metalik40, 41, 42. Selain itu, bahan pelapis semprotan termal selalu menunjukkan tingkat porositas dan oksida yang tinggi. Teknologi semprotan dingin memiliki banyak keuntungan signifikan dibandingkan teknologi semprotan termal, seperti (i) masukan panas minimal ke substrat, (ii) fleksibilitas dalam pilihan pelapisan substrat, (iii) tidak adanya transformasi fase dan pertumbuhan butiran, (iv) kekuatan ikatan yang tinggi1,39 (Gbr. 2b). Selain itu, semprotan dingin Bahan pelapis semprot memiliki ketahanan korosi yang tinggi, kekuatan dan kekerasan tinggi, konduktivitas listrik tinggi, dan kepadatan tinggi41. Berlawanan dengan keuntungan dari proses penyemprotan dingin, masih ada beberapa kelemahan dalam penggunaan teknik ini, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Saat melapisi bubuk keramik murni seperti Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, dll., metode penyemprotan dingin tidak dapat digunakan. Di sisi lain, bubuk komposit keramik/logam dapat digunakan sebagai bahan baku pelapis. Hal yang sama berlaku untuk metode penyemprotan termal lainnya. Permukaan yang rumit dan permukaan pipa interior masih sulit disemprot.
Mengingat bahwa pekerjaan saat ini bertujuan untuk menggunakan bubuk kaca metalik sebagai bahan pelapis mentah, jelas bahwa penyemprotan termal konvensional tidak dapat digunakan untuk tujuan ini. Ini karena bubuk kaca metalik mengkristal pada suhu tinggi1.
Sebagian besar peralatan yang digunakan dalam industri medis dan makanan terbuat dari paduan baja tahan karat austenitik (SUS316 dan SUS304) dengan kandungan kromium antara 12 dan 20 wt% untuk produksi instrumen bedah. Secara umum diterima bahwa penggunaan logam kromium sebagai elemen paduan dalam paduan baja dapat sangat meningkatkan ketahanan korosi paduan baja standar. Paduan baja tahan karat, meskipun memiliki ketahanan korosi yang tinggi, tidak menunjukkan sifat antimikroba yang signifikan38,39. Ini kontras dengan ketahanan korosinya yang tinggi. Setelah ini, perkembangan infeksi dan peradangan dapat diprediksi, yang terutama disebabkan oleh adhesi dan kolonisasi bakteri pada permukaan biomaterial baja tahan karat. Kesulitan yang signifikan dapat muncul karena kesulitan signifikan yang terkait dengan jalur adhesi bakteri dan pembentukan biofilm, yang dapat menyebabkan penurunan kesehatan, yang mungkin memiliki banyak konsekuensi yang dapat secara langsung atau tidak langsung mempengaruhi kesehatan manusia.
Studi ini merupakan tahap pertama dari proyek yang didanai oleh Kuwait Foundation for the Advancement of Science (KFAS), Kontrak No. 2010-550401, untuk menyelidiki kelayakan produksi serbuk terner Cu-Zr-Ni metalik seperti kaca menggunakan teknologi MA (Tabel 1) untuk produksi lapisan pelindung permukaan film antibakteri/SUS304. Tahap kedua proyek, yang akan dimulai pada Januari 2023, akan meneliti karakteristik korosi elektrokimia dan sifat mekanis sistem secara terperinci. Uji mikrobiologi terperinci akan dilakukan untuk spesies bakteri yang berbeda.
Dalam makalah ini, dibahas pengaruh kandungan unsur paduan Zr terhadap kemampuan pembentukan kaca (GFA) berdasarkan karakteristik morfologi dan struktur. Selain itu, dibahas pula sifat antibakteri dari pelapis serbuk kaca metalik/komposit SUS304. Lebih jauh lagi, penelitian terkini telah dilakukan untuk menyelidiki kemungkinan terjadinya transformasi struktur serbuk kaca metalik selama penyemprotan dingin di dalam wilayah cairan subdingin dari sistem kaca metalik yang difabrikasi. Sebagai contoh representatif, paduan kaca metalik Cu50Zr30Ni20 dan Cu50Zr20Ni30 telah digunakan dalam penelitian ini.
Pada bagian ini, perubahan morfologi serbuk unsur Cu, Zr, dan Ni dalam penggilingan bola energi rendah disajikan. Sebagai contoh ilustrasi, dua sistem berbeda yang terdiri dari Cu50Zr20Ni30 dan Cu50Zr40Ni10 akan digunakan sebagai contoh representatif. Proses MA dapat dibagi menjadi tiga tahap berbeda, seperti yang ditunjukkan oleh karakterisasi metalografi serbuk yang dihasilkan selama tahap penggilingan (Gambar 3).
Karakteristik metalografi serbuk paduan mekanik (MA) diperoleh setelah berbagai tahap waktu penggilingan bola. Gambar mikroskop elektron pemindaian emisi medan (FE-SEM) serbuk MA dan Cu50Zr40Ni10 yang diperoleh setelah waktu penggilingan bola energi rendah selama 3, 12 dan 50 jam ditunjukkan dalam (a), (c) dan (e) untuk sistem Cu50Zr20Ni30, sedangkan pada MA yang sama Gambar yang sesuai dari sistem Cu50Zr40Ni10 yang diambil setelah waktu penggilingan ditunjukkan dalam (b), (d) dan (f).
Selama penggilingan bola, energi kinetik efektif yang dapat ditransfer ke serbuk logam dipengaruhi oleh kombinasi parameter, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Ini termasuk tumbukan antara bola dan serbuk, geseran kompresif serbuk yang tersangkut di antara atau di antara media penggilingan, benturan bola yang jatuh, geseran dan keausan karena tarikan serbuk di antara media penggilingan bola yang bergerak, dan gelombang kejut yang melewati Bola yang jatuh menyebar melalui beban tanaman (Gbr. 1a). Serbuk unsur Cu, Zr, dan Ni mengalami deformasi parah karena pengelasan dingin pada tahap awal MA (3 jam), menghasilkan partikel serbuk 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. Meningkatkan waktu MA menjadi 12 jam (tahap antara) menghasilkan peningkatan energi kinetik ball mill, sehingga terjadi penguraian serbuk komposit menjadi serbuk yang lebih halus (kurang dari 200 µm), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c,d.Pada tahap ini, gaya geser yang diberikan mengarah pada pembentukan permukaan logam baru dengan lapisan halus Cu, Zr, Ni, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3c,d.Sebagai hasil dari penyempurnaan lapisan, reaksi fase padat terjadi pada antarmuka serpihan untuk menghasilkan fase baru.
Pada klimaks proses MA (setelah 50 jam), metalografi serpihan hanya terlihat samar-samar (Gbr. 3e,f), tetapi permukaan bubuk yang dipoles menunjukkan metalografi cermin. Ini berarti bahwa proses MA telah selesai dan pembentukan fase reaksi tunggal telah terjadi. Komposisi unsur daerah yang diindeks pada Gbr. 3e (I, II, III), f, v, vi) ditentukan dengan menggunakan mikroskop elektron pemindaian emisi medan (FE-SEM) yang dikombinasikan dengan spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDS) (IV).
Pada Tabel 2, konsentrasi unsur-unsur paduan ditunjukkan sebagai persentase dari berat total setiap daerah yang dipilih pada Gambar 3e,f.Ketika membandingkan hasil ini dengan komposisi nominal awal Cu50Zr20Ni30 dan Cu50Zr40Ni10 yang tercantum dalam Tabel 1, dapat dilihat bahwa komposisi kedua produk akhir ini memiliki nilai yang sangat mirip dengan komposisi nominal.Lebih jauh lagi, nilai komponen relatif untuk daerah yang tercantum dalam Gambar 3e,f tidak menyiratkan penurunan atau fluktuasi yang signifikan dalam komposisi setiap sampel dari satu daerah ke daerah lain.Hal ini dibuktikan dengan fakta bahwa tidak ada perubahan komposisi dari satu daerah ke daerah lain.Hal ini menunjukkan produksi bubuk paduan homogen, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2.
Mikrograf FE-SEM dari produk akhir serbuk 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, serbuk tersebut teragregasi karena efek van der Waals, sehingga menghasilkan pembentukan agregat besar yang terdiri dari partikel-partikel sangat halus dengan diameter berkisar antara 73 hingga 126 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Karakteristik morfologi serbuk Cu50(Zr50−xNix) yang diperoleh setelah waktu MA 50 jam. Untuk sistem Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, gambar FE-SEM serbuk yang diperoleh setelah waktu MA 50 ditunjukkan masing-masing dalam (a), (b), (c), dan (d).
Sebelum memuat serbuk ke dalam cold spray feeder, serbuk tersebut terlebih dahulu disonikasi dalam etanol kelas analitis selama 15 menit, lalu dikeringkan pada suhu 150°C selama 2 jam. Langkah ini harus dilakukan untuk mengatasi penggumpalan yang sering kali menyebabkan banyak masalah signifikan selama proses pelapisan. Setelah proses MA selesai, karakterisasi lebih lanjut dilakukan untuk menyelidiki homogenitas serbuk paduan. Gambar 5a–d menunjukkan mikrograf FE-SEM dan gambar EDS yang sesuai dari elemen paduan Cu, Zr, dan Ni dari paduan Cu50Zr30Ni20 yang diperoleh setelah 50 jam waktu M, masing-masing. Perlu dicatat bahwa serbuk paduan yang dihasilkan setelah langkah ini bersifat homogen karena tidak menunjukkan fluktuasi komposisi apa pun di luar level sub-nanometer, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Morfologi dan distribusi unsur lokal serbuk MG Cu50Zr30Ni20 diperoleh setelah 50 kali MA dengan FE-SEM/spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDS). (a) Pemetaan SEM dan EDS sinar-X dari gambar (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα dan (d) Ni-Kα.
Pola XRD serbuk paduan mekanis Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 dan Cu50Zr20Ni30 yang diperoleh setelah waktu MA 50 jam ditunjukkan masing-masing pada Gambar 6a–d. Setelah tahap penggilingan ini, semua sampel dengan konsentrasi Zr yang berbeda menunjukkan struktur amorf dengan pola difusi halo khas yang ditunjukkan pada Gambar 6.
Pola XRD serbuk (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 dan (d) Cu50Zr20Ni30 setelah waktu MA 50 jam. Semua sampel tanpa kecuali menunjukkan pola difusi halo, yang menyiratkan terbentuknya fase amorf.
Mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi emisi medan (FE-HRTEM) digunakan untuk mengamati perubahan struktural dan memahami struktur lokal serbuk yang dihasilkan dari penggilingan bola pada waktu MA yang berbeda. Gambar FE-HRTEM serbuk yang diperoleh setelah tahap awal (6 jam) dan menengah (18 jam) penggilingan untuk serbuk Cu50Zr30Ni20 dan Cu50Zr40Ni10 ditunjukkan pada Gambar 7a,c, berturut-turut. Menurut gambar medan terang (BFI) serbuk yang dihasilkan setelah MA 6 jam, serbuk tersebut tersusun dari butiran-butiran besar dengan batas-batas yang jelas dari unsur-unsur fcc-Cu, hcp-Zr dan fcc-Ni, dan tidak ada tanda-tanda bahwa fase reaksi telah terbentuk, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7a. Selanjutnya, pola difraksi area terpilih berkorelasi (SADP) yang diambil dari daerah tengah (a) mengungkapkan pola difraksi puncak (Gambar 7b), yang menunjukkan adanya kristalit besar dan tidak adanya fase reaktif.
Karakterisasi struktur lokal serbuk MA diperoleh setelah tahap awal (6 jam) dan tahap antara (18 jam). (a) Mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi emisi medan (FE-HRTEM), dan (b) pola difraksi area terpilih (SADP) yang sesuai dari serbuk Cu50Zr30Ni20 setelah perlakuan MA selama 6 jam. Gambar FE-HRTEM dari Cu50Zr40Ni10 yang diperoleh setelah waktu MA 18 jam ditunjukkan pada (c).
Seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 7c, perpanjangan durasi MA hingga 18 jam mengakibatkan cacat kisi yang parah dikombinasikan dengan deformasi plastik. Selama tahap peralihan proses MA ini, serbuk menunjukkan berbagai cacat, termasuk kesalahan penumpukan, cacat kisi, dan cacat titik (Gambar 7). Cacat ini menyebabkan butiran besar terbelah sepanjang batas butirannya menjadi subbutiran dengan ukuran kurang dari 20 nm (Gambar 7c).
Struktur lokal serbuk Cu50Z30Ni20 yang digiling selama 36 jam waktu MA memiliki pembentukan butiran nano ultrafine yang tertanam dalam matriks halus amorf, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8a. Analisis EDS lokal menunjukkan bahwa nanocluster yang ditunjukkan pada Gambar 8a dikaitkan dengan elemen paduan serbuk Cu, Zr dan Ni yang belum diproses. Pada saat yang sama, kandungan Cu dari matriks berfluktuasi dari ~32 at.% (area kurus) menjadi ~74 at.% (area kaya), yang menunjukkan pembentukan produk heterogen. Lebih jauh, SADP yang sesuai dari serbuk yang diperoleh setelah penggilingan pada tahap ini menunjukkan cincin primer dan sekunder yang menyebarkan halo dari fase amorf, yang tumpang tindih dengan titik-titik tajam yang dikaitkan dengan elemen paduan mentah tersebut, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8b.
Di luar fitur struktur lokal skala nano serbuk 36 jam-Cu50Zr30Ni20. (a) Citra medan terang (BFI) dan (b) SADP serbuk Cu50Zr30Ni20 yang diperoleh setelah penggilingan selama 36 jam waktu MA.
Mendekati akhir proses MA (50 jam), bubuk Cu50(Zr50−xNix), X; 10, 20, 30, dan 40 at.% selalu memiliki morfologi fase amorf labirin seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9a–d. Pada SADP yang sesuai dari setiap komposisi, baik difraksi seperti titik maupun pola annular tajam tidak dapat dideteksi. Ini menunjukkan bahwa tidak ada logam kristal yang belum diproses, tetapi bubuk paduan amorf terbentuk. SADP berkorelasi ini yang menunjukkan pola difusi halo juga digunakan sebagai bukti perkembangan fase amorf dalam bahan produk akhir.
Struktur lokal produk akhir sistem MG Cu50 (Zr50−xNix).FE-HRTEM dan pola difraksi nanobeam berkorelasi (NBDP) dari (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 dan (d) Cu50Zr10Ni40 diperoleh setelah 50 jam MA.
Stabilitas termal suhu transisi gelas (Tg), daerah cairan subdingin (ΔTx) dan suhu kristalisasi (Tx) sebagai fungsi kandungan Ni (x) dari sistem amorf Cu50(Zr50−xNix) telah diselidiki menggunakan Differential Scanning Calorimetry (DSC) dari sifat-sifat di bawah aliran gas He. Jejak DSC dari bubuk paduan amorf Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 dan Cu50Zr10Ni40 yang diperoleh setelah waktu MA 50 jam ditunjukkan pada Gambar 10a, b, e, masing-masing. Sementara kurva DSC dari amorf Cu50Zr20Ni30 ditunjukkan secara terpisah pada Gambar 10c. Sementara itu, sampel Cu50Zr30Ni20 yang dipanaskan hingga ~700 °C dalam DSC ditunjukkan pada Gambar 10d.
Stabilitas termal serbuk MG Cu50(Zr50−xNix) diperoleh setelah waktu MA 50 jam, sebagaimana diindeks oleh suhu transisi gelas (Tg), suhu kristalisasi (Tx), dan daerah cairan subdingin (ΔTx). Termogram kalorimeter pemindaian diferensial (DSC) dari (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 dan (e) serbuk paduan MG Cu50Zr10Ni40 setelah waktu MA 50 jam. Pola difraksi sinar-X (XRD) sampel Cu50Zr30Ni20 yang dipanaskan hingga ~700 °C dalam DSC ditunjukkan dalam (d).
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10, kurva DSC dari semua komposisi dengan konsentrasi Ni yang berbeda (x) menunjukkan dua kasus yang berbeda, satu endotermik dan yang lainnya eksotermik. Peristiwa endotermik pertama berhubungan dengan Tg, sedangkan yang kedua berhubungan dengan Tx. Daerah bentang horizontal yang ada di antara Tg dan Tx disebut daerah cairan subdingin (ΔTx = Tx – Tg). Hasilnya menunjukkan bahwa Tg dan Tx dari sampel Cu50Zr40Ni10 (Gbr. 10a), ditempatkan pada 526°C dan 612°C, menggeser kandungan (x) menjadi 20 at.% ke arah sisi suhu rendah 482°C dan 563°C dengan peningkatan kandungan Ni (x), masing-masing, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10b. Akibatnya, ΔTx dari Cu50Zr40Ni10 menurun dari 86 °C (Gbr. 10a) menjadi 81 °C untuk Cu50Zr30Ni20 (Gbr. 10b). Untuk paduan MG Cu50Zr40Ni10, juga diamati bahwa nilai Tg, Tx dan ΔTx menurun ke level 447°C, 526°C dan 79°C (Gbr. 10b). Ini menunjukkan bahwa peningkatan kandungan Ni mengarah pada penurunan stabilitas termal paduan MG. Sebaliknya, nilai Tg (507 °C) dari paduan MG Cu50Zr20Ni30 lebih rendah daripada paduan MG Cu50Zr40Ni10; meskipun demikian, Tx-nya menunjukkan nilai yang sebanding dengan yang pertama (612 °C). Oleh karena itu, ΔTx menunjukkan nilai yang lebih tinggi (87°C), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 10c.
Sistem MG Cu50(Zr50−xNix), dengan mengambil paduan MG Cu50Zr20Ni30 sebagai contoh, mengkristal melalui puncak eksotermik tajam menjadi fase kristal fcc-ZrCu5, ortorombik-Zr7Cu10 dan ortorombik-ZrNi (Gbr. 10c). Transisi fase amorf ke fase kristal ini dikonfirmasi melalui XRD sampel MG (Gbr. 10d), yang dipanaskan hingga 700 °C dalam DSC.
Gambar 11 menunjukkan foto-foto yang diambil selama proses penyemprotan dingin yang dilakukan dalam pekerjaan saat ini. Dalam studi ini, partikel bubuk seperti kaca logam yang disintesis setelah waktu MA 50 jam (mengambil Cu50Zr20Ni30 sebagai contoh) digunakan sebagai bahan baku antibakteri, dan pelat baja tahan karat (SUS304) dilapisi dengan teknologi penyemprotan dingin. Metode penyemprotan dingin dipilih untuk pelapisan dalam rangkaian teknologi penyemprotan termal karena merupakan metode yang paling efisien dalam rangkaian penyemprotan termal dan dapat digunakan untuk bahan-bahan sensitif suhu metastabil logam seperti bubuk amorf dan nanokristalin, yang tidak mengalami transisi fase. Ini adalah faktor utama dalam memilih metode ini. Proses penyemprotan dingin dilakukan dengan memanfaatkan partikel berkecepatan tinggi yang mengubah energi kinetik partikel menjadi deformasi plastik, regangan dan panas saat berdampak dengan substrat atau partikel yang diendapkan sebelumnya.
Foto lapangan menunjukkan prosedur penyemprotan dingin yang digunakan untuk lima persiapan pelapisan MG/SUS 304 berturut-turut pada suhu 550 °C.
Energi kinetik partikel, dan dengan demikian momentum setiap partikel dalam pembentukan lapisan, harus diubah menjadi bentuk energi lain melalui mekanisme seperti deformasi plastik (interaksi partikel awal dan partikel-partikel dalam substrat dan interaksi partikel), konsolidasi rongga, rotasi partikel-partikel, regangan dan akhirnya panas 39. Selanjutnya, jika tidak semua energi kinetik yang masuk diubah menjadi energi panas dan regangan, hasilnya adalah tumbukan elastis, yang berarti bahwa partikel hanya memantul kembali setelah tumbukan. Telah ditunjukkan bahwa 90% dari energi tumbukan yang diterapkan pada bahan partikel/substrat diubah menjadi panas lokal 40 . Selanjutnya, ketika tegangan tumbukan diterapkan, laju regangan plastik yang tinggi dicapai di wilayah partikel/substrat kontak dalam waktu yang sangat singkat41,42.
Deformasi plastik secara umum dianggap sebagai proses disipasi energi, atau lebih khususnya, sumber panas pada daerah antarmuka. Akan tetapi, peningkatan suhu pada daerah antarmuka biasanya tidak cukup untuk menghasilkan pelelehan antarmuka atau secara signifikan mendorong interdifusi atom. Tidak ada publikasi yang diketahui oleh penulis yang menyelidiki pengaruh sifat-sifat serbuk kaca metalik ini pada adhesi dan pengendapan serbuk yang terjadi ketika metode penyemprotan dingin digunakan.
BFI serbuk paduan MG Cu50Zr20Ni30 dapat dilihat pada Gambar 12a, yang dilapisi pada substrat SUS 304 (Gambar 11, 12b). Seperti dapat dilihat dari gambar, serbuk yang dilapisi mempertahankan struktur amorf aslinya karena memiliki struktur labirin yang halus tanpa fitur kristal atau cacat kisi. Di sisi lain, gambar menunjukkan adanya fase asing, seperti yang ditunjukkan oleh nanopartikel yang dimasukkan ke dalam matriks serbuk berlapis MG (Gambar 12a). Gambar 12c menggambarkan pola difraksi nanobeam terindeks (NBDP) yang terkait dengan wilayah I (Gambar 12a). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12c, NBDP menunjukkan pola difusi halo yang lemah dari struktur amorf dan hidup berdampingan dengan bercak tajam yang sesuai dengan fase CuO metastabil plus tetragonal kubik besar Zr2Ni kristal. Pembentukan CuO dapat dikaitkan dengan oksidasi serbuk saat bergerak dari nosel pistol semprot ke SUS 304 di udara terbuka di bawah aliran supersonik. Di sisi lain, devitrifikasi bubuk kaca metalik mencapai pembentukan fase kubik besar setelah perlakuan semprotan dingin pada 550 °C selama 30 menit.
(a) Gambar FE-HRTEM serbuk MG yang dilapisi pada (b) substrat SUS 304 (sisipan gambar). Indeks NBDP dari simbol melingkar yang ditunjukkan pada (a) ditunjukkan pada (c).
Untuk memverifikasi mekanisme potensial ini demi pembentukan nanopartikel Zr2Ni kubik besar, dilakukan percobaan independen. Dalam percobaan ini, serbuk disemprotkan dari pistol semprot pada suhu 550 °C ke arah substrat SUS 304; akan tetapi, untuk menjelaskan efek pemanasan serbuk, serbuk dilepaskan dari strip SUS304 secepat mungkin (sekitar 60 detik). Serangkaian percobaan lain dilakukan dengan melepaskan serbuk dari substrat sekitar 180 detik setelah pengendapan.
Gambar 13a,b menunjukkan gambar medan gelap (DFI) yang diperoleh dengan pemindaian mikroskop elektron transmisi (STEM) dari dua bahan yang disemprotkan yang diendapkan pada substrat SUS 304 selama 60 detik dan 180 detik, berturut-turut. Gambar bubuk yang diendapkan selama 60 detik tidak memiliki detail morfologi, menunjukkan ketiadaan fitur (Gbr. 13a). Ini juga dikonfirmasi oleh XRD, yang menunjukkan bahwa struktur umum bubuk ini adalah amorf, seperti yang ditunjukkan oleh difraksi primer dan sekunder maksimum yang ditunjukkan pada Gambar 14a. Ini menunjukkan tidak adanya presipitasi metastabil/mesofase, di mana bubuk mempertahankan struktur amorf aslinya. Sebaliknya, bubuk yang disemprotkan pada suhu yang sama (550 °C), tetapi dibiarkan pada substrat selama 180 detik, menunjukkan presipitasi butiran berukuran nano, seperti yang ditunjukkan oleh anak panah pada Gambar 13b.