Þakka þér fyrir að heimsækja Nature.com. Vafraútgáfan sem þú notar styður CSS takmarkað. Til að fá sem bestu upplifun mælum við með að þú notir uppfærðan vafra (eða slökkvir á samhæfingarstillingu í Internet Explorer). Á meðan, til að tryggja áframhaldandi stuðning, munum við birta síðuna án stíla og JavaScript.
Líffilmur eru mikilvægur þáttur í þróun langvinnra sýkinga, sérstaklega þegar lækningatæki eru í hlut. Þetta vandamál er gríðarleg áskorun fyrir læknasamfélagið, þar sem hefðbundin sýklalyf geta aðeins útrýmt líffilmum að mjög takmörkuðu leyti. Að koma í veg fyrir myndun líffilmu hefur leitt til þróunar ýmissa húðunaraðferða og nýrra efna. Þessar aðferðir miða að því að húða yfirborð á þann hátt að það hamlar myndun líffilmu. Málmgljáandi málmblöndur, sérstaklega þær sem innihalda kopar og títanmálma, hafa komið fram sem kjörin örverueyðandi húðun. Á sama tíma hefur notkun kaldúðunartækni aukist þar sem hún er hentug aðferð til að vinna úr hitanæmum efnum. Hluti af tilgangi þessarar rannsóknar var að þróa nýja bakteríudrepandi filmu úr málmgleri sem samanstendur af þríþættum Cu-Zr-Ni með því að nota vélræna álfelgunartækni. Kúlulaga duftið sem myndar lokaafurðina er notað sem hráefni fyrir kaldúðunarhúðun á ryðfríu stáli við lágt hitastig. Undirlag húðað með málmgleri gat dregið verulega úr myndun líffilmu um að minnsta kosti 1 log samanborið við ryðfrítt stál.
Í gegnum mannkynssöguna hefur hvert samfélag getað hannað og stuðlað að innleiðingu nýrra efna sem uppfylla sérstakar kröfur þess, sem hefur leitt til bættrar frammistöðu og sætis í hnattvæddu hagkerfi1. Það hefur alltaf verið eignað hæfni mannsins til að þróa efni og framleiðslubúnað og hönnun fyrir efnisframleiðslu og einkenni til að ná árangri í heilbrigðismálum, menntun, iðnaði, hagfræði, menningu og öðrum sviðum frá einu landi eða svæði til annars. Framfarir eru mældar óháð landi eða svæði.2 Í 60 ár hafa efnisfræðingar varið miklum tíma sínum í að einbeita sér að einu megináhyggjuefni: leit að nýjum og háþróuðum efnum. Nýlegar rannsóknir hafa beinst að því að bæta gæði og frammistöðu núverandi efna, sem og að mynda og finna upp alveg nýjar gerðir efna.
Viðbót málmblönduþátta, breyting á örbyggingu efnisins og notkun varma-, vélrænna eða varma-vélrænna vinnslutækni hefur leitt til verulegra umbóta á vélrænum, efnafræðilegum og eðlisfræðilegum eiginleikum fjölbreyttra efna. Ennfremur hefur verið tekist að mynda efnasambönd sem ekki hafa verið þekkt hingað til. Þessi þrautseigja viðleitni hefur skapað nýja fjölskyldu nýstárlegra efna, sem sameiginlega eru þekkt sem háþróuð efni2. Nanókristallar, nanóagnir, nanórör, skammtapunktar, núllvíddar, ókristallað málmgler og málmblöndur með mikilli óreiðu eru aðeins nokkur dæmi um háþróuð efni sem kynnt hafa verið til sögunnar frá miðri síðustu öld. Við framleiðslu og þróun nýrra málmblöndu með yfirburða eiginleikum, annað hvort í lokaafurðinni eða á millistigum framleiðslu hennar, bætist oft við vandamálið með ójafnvægi. Vegna þess að nýjar framleiðsluaðferðir hafa verið notaðar til að víkja verulega frá jafnvægi hefur verið uppgötvaður heill nýr flokkur stöðugra málmblöndu, þekkt sem málmgler.
Starf hans við Caltech árið 1960 olli byltingu í hugmyndafræði málmblöndu þegar hann myndaði glerkenndar Au-25 at.% Si málmblöndur með því að storkna vökva hratt við næstum milljón gráður á sekúndu.4. Uppgötvun prófessors Pol Duwezs markaði ekki aðeins upphaf sögu málmgleras (MG), heldur leiddi einnig til breytinga á því hvernig fólk hugsar um málmblöndur. Frá fyrstu brautryðjendarannsóknum á myndun MG málmblöndu hefur næstum allt málmgleras verið framleitt að öllu leyti með því að nota eina af eftirfarandi aðferðum; (i) hraðstorknun bráðins eða gufu, (ii) atómröskun á grindinni, (iii) föstum efnahvörfum milli hreinna málmþátta og (iv) föstum umbreytingum á stöðugum fasa.
Glermálmar (MGs) einkennast af því að þeir hafa ekki þá langdrægu atómröð sem einkennir kristöll, sem er einkennandi fyrir þá. Í heiminum í dag hafa miklar framfarir orðið á sviði málmglers. Þetta eru ný efni með áhugaverða eiginleika sem eru áhugaverðir ekki aðeins í fastefnafræði heldur einnig í málmfræði, yfirborðsefnafræði, tækni, líffræði og mörgum öðrum sviðum. Þessi nýja tegund efnis sýnir aðra eiginleika en fastir málmar, sem gerir það að áhugaverðum frambjóðanda fyrir tæknilega notkun á ýmsum sviðum. Þau hafa nokkra mikilvæga eiginleika; (i) mikla vélræna teygjanleika og sveigjanleika, (ii) mikla segulgegndræpi, (iii) litla þvingun, (iv) óvenjulega tæringarþol, (v) hitaóháðni. Leiðni 6,7.
Vélræn málmblöndun (MA)1,8 er tiltölulega ný tækni, fyrst kynnt árið 19839 af prófessor CC Kock og samstarfsmönnum. Þeir bjuggu til ókristölluð Ni60Nb40 duft með því að mala blöndu af hreinum frumefnum við stofuhita mjög nálægt stofuhita. Venjulega er MA-viðbrögðin framkvæmd milli dreifðrar tengingar á hvarfefnisdufti í hvarfefni, venjulega úr ryðfríu stáli, í kúlukvörn 10 (Mynd 1a, b). Síðan þá hefur þessi vélrænt framkallaða fastfasaviðbragðstækni verið notuð til að framleiða nýstárleg glerblönduduft úr kristalla/málmblöndu með því að nota lágorkukúlukvörn (Mynd 1c) og háorkukúlukvörn, sem og stangakvörn 11, 12, 13, 14, 15, 16. Sérstaklega hefur þessi aðferð verið notuð til að framleiða óblandanleg kerfi eins og Cu-Ta 17, sem og málmblöndur með háu bræðslumarki eins og Al-umbreytingarmálmkerfi (TM; Zr, Hf, Nb og Ta) 18, 19 og Fe-W 20, sem ekki er hægt að fá með hefðbundnum framleiðsluaðferðum. Ennfremur er MA talið eitt öflugasta nanótæknitækið til að framleiða nanókristallaða og nanósamsetta duftagnir úr málmoxíðum, karbíðum, nítríðum, hýdríðum, kolefnisnanórörum á iðnaðarskala. nanódemantar, sem og víðtæka stöðugleika með aðferð að ofan frá og niður 1 og umbreytingarstigum.
Skýringarmynd sem sýnir framleiðsluaðferðina sem notuð var til að búa til Cu50(Zr50−xNix) málmglerhúðun (MG)/SUS 304 í þessari rannsókn. (a) Undirbúningur MG málmblöndudufts með mismunandi Ni-styrk x (x; 10, 20, 30 og 40 at.%) með lágorkukúlufræsingu. (a) Upphafsefnið er sett í verkfærastrokka ásamt stálkúlum úr verkfærum og (b) er innsiglað í hanskahólfi fylltum með He-lofti. (c) Gagnsætt líkan af kvörnunarílátinu sem sýnir hreyfingu kúlunnar við kvörnun. Lokaafurð duftsins sem fékkst eftir 50 klukkustundir var notuð til að húða SUS 304 undirlagið með köldu úðaaðferðinni (d).
Þegar kemur að yfirborði lausaefnis (undirlags) felur yfirborðsverkfræði í sér hönnun og breytingu á yfirborðum (undirlags) til að veita ákveðna eðlisfræðilega, efnafræðilega og tæknilega eiginleika sem upprunalega lausaefnið er ekki að finna í. Sumir eiginleikar sem hægt er að bæta á áhrifaríkan hátt með yfirborðsmeðferð eru meðal annars núningþol, oxunar- og tæringarþol, núningstuðull, líftregða, rafmagnseiginleikar og varmaeinangrun, svo eitthvað sé nefnt. Yfirborðsgæði er hægt að bæta með því að nota málmvinnslu-, vélræna eða efnafræðilega tækni. Sem vel þekkt ferli er húðun einfaldlega skilgreind sem eitt eða mörg lög af efni sem eru sett gervilega á yfirborð lausaefnis (undirlags) úr öðru efni. Þannig eru húðanir notaðar að hluta til að ná fram tilætluðum tæknilegum eða skreytingareiginleikum, sem og til að vernda efni gegn væntanlegum efna- og eðlisfræðilegum víxlverkunum við umhverfið.
Til að setja upp viðeigandi yfirborðsverndarlög með þykkt frá nokkrum míkrómetrum (undir 10-20 míkrómetrum) upp í yfir 30 míkrómetra eða jafnvel nokkra millimetra er hægt að beita mörgum aðferðum og tækni. Almennt má skipta húðunarferlum í tvo flokka: (i) blautar húðunaraðferðir, þar á meðal rafhúðun, raflausa húðun og heitgalvaniseringu, og (ii) þurrar húðunaraðferðir, þar á meðal lóðun, yfirborðsmeðhöndlun, efnisleg gufuútfelling (PVD), efnaleg gufuútfelling (CVD), hitaúðunaraðferðir og nýlega kaldúunaraðferðir 24 (Mynd 1d).
Líffilmur eru skilgreindar sem örverusamfélög sem eru óafturkræft fest við yfirborð og umkringd sjálfframleiddum utanfrumufjölliðum (EPS). Yfirborðsþroskaður líffilmur getur leitt til verulegs taps í mörgum iðnaðargeirum, þar á meðal matvælaiðnaði, vatnsveitum og heilbrigðisumhverfi. Í mönnum, þegar líffilmur myndast, eru meira en 80% tilfella örverusýkinga (þar á meðal Enterobacteriaceae og Staphylococci) erfiðar í meðferð. Ennfremur hefur verið greint frá því að þroskaðir líffilmar séu 1000 sinnum ónæmari fyrir sýklalyfjameðferð samanborið við svifbakteríufrumur, sem er talið vera mikil meðferðaráskorun. Sögulega hafa verið notuð sýklalyfjaefni sem eru unnin úr hefðbundnum lífrænum efnasamböndum. Þó að slík efni innihaldi oft eitruð efni sem eru hugsanlega hættuleg fyrir menn,25,26 geta þau hjálpað til við að forðast bakteríusmit og eyðileggingu efnis.
Útbreidd ónæmi baktería fyrir sýklalyfjameðferð vegna myndunar líffilmu hefur leitt til þess að þörf er á að þróa áhrifaríkt yfirborð með örverueyðandi himnu sem hægt er að bera á á öruggan hátt27. Þróun á efnislegum eða efnafræðilegum yfirborði sem hindrar viðloðun bakteríufrumna í að bindast og mynda líffilmu vegna viðloðunar27. Önnur tæknin er að þróa húðanir sem gera kleift að koma örverueyðandi efnum nákvæmlega þar sem þeirra er þörf, í mjög einbeittu og sérsniðnu magni. Þetta er náð með því að þróa einstök húðunarefni eins og grafen/germaníum28, svartan demant29 og ZnO-dópuð demantlík kolefnishúðun30 sem eru ónæm fyrir bakteríum, tækni sem hámarkar eituráhrif og þróun ónæmis vegna myndunar líffilmu eru verulega minnkuð. Að auki eru húðanir sem fella sýkladrepandi efni inn í yfirborð til að veita langtímavörn gegn bakteríumengun að verða vinsælli. Þó að allar þrjár aðferðirnar geti haft örverueyðandi áhrif á húðaðar fleti, þá hafa þær hver sínar eigin takmarkanir sem ætti að hafa í huga við þróun notkunaráætlana.
Vörur sem nú eru á markaðnum eru hamlaðar af ófullnægjandi tíma til að greina og prófa hlífðarhúðun fyrir líffræðilega virk innihaldsefni. Fyrirtæki halda því fram að vörur þeirra muni veita notendum æskilega virkniþætti; Þetta hefur þó verið hindrun fyrir velgengni vara sem nú eru á markaðnum. Efnasambönd unnin úr silfri eru notuð í langflestum sýklalyfjameðferðum sem nú eru í boði fyrir neytendur. Þessar vörur eru þróaðar til að vernda notendur gegn hugsanlega hættulegum áhrifum örvera. Seinkað örverueyðandi áhrif og tengd eituráhrif silfursambanda auka þrýsting á vísindamenn til að þróa minna skaðlegan valkost36,37. Að búa til alþjóðlegt örverueyðandi húðunarefni sem virkar bæði innandyra og utandyra reynist enn vera erfitt verkefni. Þetta er vegna áhættu sem fylgir bæði heilsu og öryggi. Að uppgötva örverueyðandi efni sem er minna skaðlegt mönnum og finna út hvernig á að fella það inn í húðunarundirlag með lengri geymsluþol er mjög eftirsótt markmið38. Nýjustu örverueyðandi og líffilmuefnin eru hönnuð til að drepa bakteríur í návígi, annað hvort með beinni snertingu eða eftir að virka efnið er losað. Þau geta gert þetta með því að hindra upphaflega viðloðun baktería (þar á meðal að vinna gegn myndun próteinlags á yfirborðinu) eða með því að drepa bakteríur með því að trufla frumuvegginn.
Í grundvallaratriðum er yfirborðshúðun ferlið við að setja annað lag á yfirborð íhlutar til að auka yfirborðseiginleika. Markmið yfirborðshúðunar er að sníða örbyggingu og/eða samsetningu nærliggjandi svæðis íhlutarins39. Yfirborðshúðunartækni má skipta í mismunandi aðferðir, sem eru teknar saman á mynd 2a. Húðun má skipta í varmafræðilega, efnafræðilega, eðlisfræðilega og rafefnafræðilega flokka, allt eftir því hvaða aðferð er notuð til að búa til húðunina.
(a) Innskot sem sýnir helstu framleiðsluaðferðir sem notaðar eru fyrir yfirborðið og (b) valda kosti og galla kaldunúðunaraðferðarinnar.
Kaldúðunartækni á margt sameiginlegt með hefðbundnum hitaúðunaraðferðum. Hins vegar eru einnig nokkrir lykileiginleikar sem gera kaldúðunarferlið og kaldúðunarefni sérstaklega einstök. Kaldúðunartækni er enn á frumstigi en á sér bjarta framtíð. Í ákveðnum tilgangi bjóða einstakir eiginleikar kaldúðunar upp á mikla kosti og sigrast á þeim takmörkunum sem fylgja dæmigerðum hitaúðunaraðferðum. Hún býður upp á leið til að sigrast á verulegum takmörkunum hefðbundinnar hitaúðunartækni, þar sem duftið verður að bræða til að það geti sest á undirlagið. Augljóslega hentar þessi hefðbundna húðunaraðferð ekki fyrir mjög hitanæm efni eins og nanókristalla, nanóagnir, ókristallað og málmgler40, 41, 42. Ennfremur sýna hitaúðunarefni alltaf mikið magn af gegndræpi og oxíðum. Kaldúðunartækni hefur marga verulega kosti umfram hitaúðunartækni, svo sem (i) lágmarks hitainntak á undirlagið, (ii) sveigjanleika í vali á undirlagshúðun, (iii) fjarveru fasabreytinga og kornvaxtar, (iv) mikinn bindingarstyrk1,39 (Mynd 2b). Að auki hafa kaldúðunarefni mikla tæringargetu. viðnám, mikill styrkur og hörku, mikil rafleiðni og mikil þéttleiki41. Ólíkt kostum kaldununarferlisins eru enn nokkrir ókostir við að nota þessa tækni, eins og sést á mynd 2b. Þegar hreint keramikduft eins og Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, o.s.frv. er húðað er ekki hægt að nota kaldununaraðferðina. Á hinn bóginn er hægt að nota keramik/málm samsett duft sem hráefni fyrir húðun. Hið sama gildir um aðrar hitaúðunaraðferðir. Flóknar fletir og innri fleti pípa eru enn erfiðar í úðun.
Þar sem núverandi vinna miðar að því að nota glerkennd málmduft sem hráefni til húðunar er ljóst að ekki er hægt að nota hefðbundna hitaúðun í þessu skyni. Þetta er vegna þess að glerkennd málmduft kristallast við hátt hitastig.
Flest verkfæri sem notuð eru í læknisfræði- og matvælaiðnaði eru úr austenískum ryðfríu stálblöndum (SUS316 og SUS304) með króminnihaldi á bilinu 12 til 20 þyngdarprósent til framleiðslu á skurðlækningatólum. Það er almennt viðurkennt að notkun krómmálms sem álfelguefnis í stálblöndum geti bætt tæringarþol hefðbundinna stálblöndum til muna. Ryðfríar stálblöndum, þrátt fyrir mikla tæringarþol, sýna ekki marktæka örverueyðandi eiginleika38,39. Þetta stangast á við mikla tæringarþol þeirra. Eftir þetta er hægt að spá fyrir um þróun sýkinga og bólgu, sem aðallega stafar af bakteríusamloðun og nýlenduvæðingu á yfirborði lífefna úr ryðfríu stáli. Verulegir erfiðleikar geta komið upp vegna verulegra erfiðleika sem tengjast bakteríusamloðun og myndunarferlum líffilmu, sem getur leitt til heilsubrests, sem getur haft margar afleiðingar sem geta beint eða óbeint haft áhrif á heilsu manna.
Þessi rannsókn er fyrsti áfangi verkefnis sem fjármagnað er af Kuwait Foundation for the Advancement of Science (KFAS), samningsnúmer 2010-550401, til að kanna möguleikann á að framleiða málmkennd, glerkennd Cu-Zr-Ni þríþætt duft með MA tækni (Tafla 1) til framleiðslu á bakteríudrepandi filmu/SUS304 yfirborðsvörn. Annar áfangi verkefnisins, sem hefst í janúar 2023, mun skoða rafefnafræðilega tæringareiginleika og vélræna eiginleika kerfisins í smáatriðum. Ítarlegar örverufræðilegar prófanir verða gerðar fyrir mismunandi bakteríutegundir.
Í þessari grein er fjallað um áhrif Zr-blönduefnisinnihalds á myndunarhæfni glersins út frá formfræðilegum og byggingarlegum eiginleikum. Að auki var einnig fjallað um bakteríudrepandi eiginleika húðaðs málmglerdufts/SUS304 samsetts efnis. Ennfremur hefur verið unnið að því að kanna möguleikann á byggingarbreytingum á málmglerdufti við kalda úðun innan undirkælds vökvasvæðis í framleiddum málmglerkerfum. Sem dæmi um þetta hafa Cu50Zr30Ni20 og Cu50Zr20Ni30 málmglerblöndur verið notaðar í þessari rannsókn.
Í þessum kafla eru kynntar breytingar á formgerð frumefna Cu, Zr og Ni dufts í lágorkukúlukúluvinnslu. Sem dæmi verða tvö mismunandi kerfi, sem samanstanda af Cu50Zr20Ni30 og Cu50Zr40Ni10, notuð sem dæmi. MA ferlinu má skipta í þrjú aðskilin stig, eins og sést á málmfræðilegri greiningu duftsins sem framleitt er á kvörnunarstiginu (Mynd 3).
Málmfræðilegir eiginleikar dufts úr vélrænum málmblöndum (MA) sem fengust eftir mismunandi stig kúlufræsingartíma. Myndir af MA og Cu50Zr40Ni10 dufti, teknar eftir lágorkukúlufræsingu í 3, 12 og 50 klst., eru sýndar í (a), (c) og (e) fyrir Cu50Zr20Ni30 kerfið, en í sama MA eru samsvarandi myndir af Cu50Zr40Ni10 kerfinu teknar eftir tíma sýndar í (b), (d) og (f).
Við kúlufræsingu hefur virka hreyfiorkan sem hægt er að flytja til málmduftsins áhrif á samsetningu breytna, eins og sýnt er á mynd 1a. Þetta felur í sér árekstra milli kúlna og dufts, þjöppunarklippingu dufts sem festist á milli eða á milli kvörnunarmiðla, áhrif fallandi kúlna, klippingu og slit vegna duftsdrættis milli hreyfanlegs kúlufræsunarmiðla og höggbylgju sem fer í gegnum fallandi kúlur sem dreifast í gegnum uppskeru (mynd 1a). Frumefnisduft úr Cu, Zr og Ni aflagaðist verulega vegna kaldsuðu á fyrstu stigum kúlufræsingar (3 klst.), sem leiddi til stórra duftagna (>1 mm í þvermál). Þessar stóru samsettu agnir einkennast af myndun þykkra laga af málmblönduþáttum (Cu, Zr, Ni), eins og sýnt er á mynd 3a,b. Að lengja kúlufræsingartímann í 12 klst. (millistig) leiddi til aukinnar hreyfiorku kúlufræsunnar, sem leiddi til niðurbrots samsetta duftsins í fínni duft (minna en 200 µm), eins og sýnt er á mynd 3c,d. Á þessu stigi leiðir beittur klippikraftur til... Myndun nýs málmyfirborðs með fínum Cu, Zr, Ni lögum, eins og sýnt er á mynd 3c, d. Vegna laghreinsunar eiga sér stað fastfasahvörf á snertifleti flagnanna til að mynda ný fasa.
Við hápunkt MA-ferlisins (eftir 50 klst.) var flagnandi málmgreiningin aðeins óljós (mynd 3e, f), en slípað yfirborð duftsins sýndi spegilmálmgreiningu. Þetta þýðir að MA-ferlinu er lokið og einn hvarffasi hefur myndast. Frumefnasamsetning svæðanna sem sýnd eru á mynd 3e (I, II, III), f, v, vi) var ákvörðuð með rafeindasmásjárskoðun með rafeindasmásjá ...
Í töflu 2 er frumefnaþéttni álfelgjanna sýnd sem hlutfall af heildarþyngd hvers svæðis sem valið er á mynd 3e,f. Þegar þessar niðurstöður eru bornar saman við upphafsnafnsamsetningar Cu50Zr20Ni30 og Cu50Zr40Ni10 sem taldar eru upp í töflu 1, má sjá að samsetningar þessara tveggja lokaafurða hafa mjög svipuð gildi og nafnsamsetningarnar. Ennfremur benda hlutfallsleg gildi efnisþátta fyrir svæðin sem talin eru upp á mynd 3e,f ekki til marktækrar hnignunar eða sveiflna í samsetningu hvers sýnis frá einu svæði til annars. Þetta sést af þeirri staðreynd að engin breyting er á samsetningu frá einu svæði til annars. Þetta bendir til framleiðslu á einsleitum álfelgudufti, eins og sýnt er í töflu 2.
FE-SEM smásjármyndir af lokaafurðinni Cu50(Zr50−xNix) dufti voru fengnar eftir 50 MA sinnum, eins og sýnt er á mynd 4a–d, þar sem x er 10, 20, 30 og 40 at.%, talið í sömu röð. Eftir þetta malunarskref safnast duftið saman vegna van der Waals áhrifa, sem leiðir til myndunar stórra agna sem samanstanda af örfínum ögnum með þvermál á bilinu 73 til 126 nm, eins og sýnt er á mynd 4.
Formfræðilegir eiginleikar Cu50(Zr50−xNix) dufts sem fengust eftir 50 klst. MA tíma. Fyrir Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 kerfin eru FE-SEM myndir af duftinu sem fengust eftir 50 MA tíma sýndar í (a), (b), (c) og (d), talið í sömu röð.
Áður en duftið var sett í kaldúðafóðrara voru það fyrst hljóðbeitt í etanóli af greiningargráðu í 15 mínútur og síðan þurrkað við 150°C í 2 klukkustundir. Þetta skref verður að taka til að berjast gegn kekkjun sem veldur oft mörgum verulegum vandamálum í húðunarferlinu. Eftir að MA ferlinu var lokið voru frekari greiningar framkvæmdar til að kanna einsleitni málmblönduduftsins. Mynd 5a–d sýna FE-SEM smásjármyndir og samsvarandi EDS myndir af Cu, Zr og Ni málmblönduþáttunum í Cu50Zr30Ni20 málmblöndunni sem fengust eftir 50 klst. M tíma, talið í sömu röð. Það skal tekið fram að málmblönduduftið sem framleitt er eftir þetta skref er einsleitt þar sem það sýnir engar sveiflur í samsetningu umfram subnanómetra stig, eins og sýnt er á mynd 5.
Formgerð og staðbundin dreifing frumefna MG Cu50Zr30Ni20 dufts sem fékkst eftir 50 MA sinnum með FE-SEM/orkudreifandi röntgenspektroskopíu (EDS). (a) SEM og röntgen EDS kortlagning á (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα og (d) Ni-Kα myndum.
XRD-mynstur vélrænt blandaðra Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 og Cu50Zr20Ni30 dufts, sem fengust eftir 50 klst. malunartíma, eru sýnd á mynd 6a-d, talið í sömu röð. Eftir þetta malunarstig sýndu öll sýni með mismunandi Zr-styrkleika ókristallaðar byggingar með einkennandi dreifingarmynstrum eins og sýnt er á mynd 6.
XRD-mynstur af (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 og (d) Cu50Zr20Ni30 dufti eftir MA tíma upp á 50 klst. Öll sýni án undantekninga sýndu dreifingarmynstur með geislunarhring, sem bendir til myndunar ókristölluðs fasa.
Rafeindasmásjá með mikilli upplausn í geislunarsviði (FE-HRTEM) var notuð til að fylgjast með byggingarbreytingum og skilja staðbundna uppbyggingu duftsins sem myndast við kúlukvörnun á mismunandi MA-tímum. FE-HRTEM myndir af duftinu sem fengust eftir fyrstu (6 klst.) og millistig (18 klst.) mölunar fyrir Cu50Zr30Ni20 og Cu50Zr40Ni10 duft eru sýndar á mynd 7a og c, talið í sömu röð. Samkvæmt björtu sviðismyndinni (BFI) af duftinu sem framleitt var eftir MA 6 klst. er duftið samsett úr stórum kornum með vel skilgreindum mörkum frumefnanna fcc-Cu, hcp-Zr og fcc-Ni, og engin merki eru um að hvarffasi hafi myndast, eins og sýnt er á mynd 7a. Ennfremur sýndi fylgnivalið svæðisbrotsmynstur (SADP), tekið úr miðhluta (a), brúnbrotsmynstur (mynd 7b), sem bendir til nærveru stórra kristalla og fjarveru hvarffasa.
Staðbundin byggingargreining á MA dufti sem fékkst eftir fyrstu (6 klst.) og millistig (18 klst.). (a) Rafeindasmásjá með mikilli upplausn á sviði geislunar (FE-HRTEM), og (b) samsvarandi svæðisbrotsmynstur (SADP) á Cu50Zr30Ni20 dufti eftir MA meðferð í 6 klst. FE-HRTEM myndin af Cu50Zr40Ni10 sem fékkst eftir MA meðferð í 18 klst. er sýnd í (c).
Eins og sést á mynd 7c, olli það alvarlegum grindargöllum ásamt plastaflögun að lengja MA-ferlið í 18 klst. að duftið sýnir ýmsa galla, þar á meðal staflunargalla, grindargalla og punktgalla (mynd 7). Þessir gallar valda því að stóru kornin klofna meðfram kornamörkum sínum í undirkorn sem eru minni en 20 nm að stærð (mynd 7c).
Staðbundin uppbygging Cu50Z30Ni20 dufts sem malað er í 36 klst. MA tíma sýnir myndun örfínna nanókorna sem eru innbyggð í fíngerða blönduðu efnisþætti, eins og sést á mynd 8a. Staðbundin EDS greining benti til þess að nanóklasarnir sem sýndir eru á mynd 8a tengdust óunnum Cu, Zr og Ni duftblönduðum frumefnum. Á sama tíma sveiflaðist Cu innihald efnisins frá ~32 at.% (magurt svæði) til ~74 at.% (ríkt svæði), sem bendir til myndunar ólíkra afurða. Ennfremur sýna samsvarandi SADP duftsins sem fengust eftir malun á þessu stigi dreifandi frum- og aukahringi af blönduðu efnisþætti, sem skarast við hvöss odd sem tengjast þessum hráu blönduðum frumefnum, eins og sést á mynd 8b.
Staðbundnir byggingareiginleikar Cu50Zr30Ni20 dufts á nanóskala umfram 36 klst. (a) Björt svæðismynd (BFI) og samsvarandi (b) SADP af Cu50Zr30Ni20 dufti sem fékkst eftir malun í 36 klst. MA tíma.
Nálægt lokum MA ferlisins (50 klst.) hafa Cu50(Zr50−xNix), X; 10, 20, 30 og 40 at.% duftið alltaf völundarhúskennt, ókristallað fasaform eins og sýnt er á mynd 9a–d. Í samsvarandi SADP fyrir hverja samsetningu var hvorki hægt að greina punktlaga dreifingar né skarpar hringlaga mynstur. Þetta bendir til þess að enginn óunninn kristallaður málmur sé til staðar, heldur myndast ókristallað málmblönduduft. Þessir tengdu SADP-ar sem sýna dreifingarmynstur með haló voru einnig notaðir sem sönnunargögn fyrir þróun ókristallaðra fasa í lokaafurðinni.
Staðbundin uppbygging lokaafurðar MG Cu50 (Zr50−xNix) kerfisins. FE-HRTEM og fylgni nanógeisladreifingarmynstur (NBDP) fyrir (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 og (d) Cu50Zr10Ni40 sem fengust eftir 50 klst. af MA.
Varmastöðugleiki glerhitastigsins (Tg), undirkælda vökvasvæðisins (ΔTx) og kristöllunarhitastigsins (Tx) sem fall af Ni-innihaldi (x) í ókristallaða Cu50(Zr50−xNix) kerfinu hefur verið rannsakaður með mismunadreifingarskönnunarhitamælingu (DSC) á eiginleikum undir He-gasflæði. DSC-ferlar ókristallaða málmblönduduftsins Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 og Cu50Zr10Ni40 sem fengust eftir 50 klst. MA-tíma eru sýndir á mynd 10a, b og e, talið í sömu röð. DSC-ferillinn fyrir ókristallaða Cu50Zr20Ni30 er sýndur sérstaklega á mynd 10c. Á sama tíma er Cu50Zr30Ni20 sýnið sem hitað var í ~700 °C í DSC sýnt á mynd 10d.
Hitastöðugleiki Cu50(Zr50−xNix) MG dufts sem fékkst eftir 50 klst. MA tíma, eins og mælt er með glerumskiptahita (Tg), kristöllunarhita (Tx) og undirkældu vökvasvæði (ΔTx). Mismunadreifingarhitamælingar (DSC) á (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 og (e) Cu50Zr10Ni40 MG málmblöndudufti eftir 50 klst. MA tíma. Röntgengeislunarmynstur (XRD) Cu50Zr30Ni20 sýnisins sem hitað var í ~700 °C í DSC er sýnt í (d).
Eins og sést á mynd 10 benda DSC-kúrfurnar fyrir allar efnasamsetningar með mismunandi Ni-styrk (x) til tveggja mismunandi tilvika, annars vegar hitaða og hins vegar útverma. Fyrsta hitaða atburðurinn samsvarar Tg, en sá seinni tengist Tx. Lárétta svæðið sem er á milli Tg og Tx kallast undirkælt vökvasvæði (ΔTx = Tx – Tg). Niðurstöðurnar sýna að Tg og Tx í Cu50Zr40Ni10 sýninu (mynd 10a), sem er staðsett við 526°C og 612°C, færa innihaldið (x) í 20 at.% í átt að lághitasvæðinu 482°C og 563°C með hækkandi Ni-innihaldi (x), talið í sömu röð, eins og sést á mynd 10b. Þar af leiðandi lækkar ΔTx fyrir Cu50Zr40Ni10 úr 86°C (mynd 10a) í 81°C fyrir Cu50Zr30Ni20 (mynd ...). 10b). Fyrir MG Cu50Zr40Ni10 málmblönduna kom einnig í ljós að gildi Tg, Tx og ΔTx lækkuðu niður í 447°C, 526°C og 79°C (Mynd 10b). Þetta bendir til þess að aukning á Ni-innihaldi leiði til minnkaðrar hitastöðugleika MG málmblöndunnar. Aftur á móti er Tg-gildið (507°C) fyrir MG Cu50Zr20Ni30 málmblönduna lægra en fyrir MG Cu50Zr40Ni10 málmblönduna; engu að síður sýnir Tx-gildið sambærilegt við það fyrra (612°C). Þess vegna sýnir ΔTx hærra gildi (87°C), eins og sýnt er á mynd 10c.
MG Cu50(Zr50−xNix) kerfið, þar sem MG Cu50Zr20Ni30 málmblöndunni er tekið sem dæmi, kristallar í gegnum skarpan útverminn tind í kristalfasana fcc-ZrCu5, rétthyrndan-Zr7Cu10 og rétthyrndan-ZrNi (mynd 10c). Þessi fasabreyting frá ókristölluðu í kristallaða var staðfest með röntgenmyndatöku af MG sýninu (mynd 10d), sem var hitað í 700°C í DSC.
Mynd 11 sýnir ljósmyndir teknar meðan á köldu úðunarferlinu stóð í núverandi verki. Í þessari rannsókn voru málmglerlík duftagnir, sem myndaðar voru eftir 50 klst. MA-tíma (með Cu50Zr20Ni30 sem dæmi), notaðar sem bakteríudrepandi hráefni og ryðfría stálplatan (SUS304) var húðuð með köldu úðunartækni. Köldu úðunaraðferðin var valin til húðunar í varmaúðunartækninni þar sem hún er skilvirkasta aðferðin í varmaúðunartækninni og hægt er að nota hana fyrir málmstöðug hitanæm efni eins og ókristölluð og nanókristallað duft, sem eru ekki háð fasabreytingum. Þetta er aðalþátturinn í vali á þessari aðferð. Köldu úðunarferlið er framkvæmt með því að nota háhraða agnir sem breyta hreyfiorku agnanna í plastaflögun, álag og hita við árekstur við undirlagið eða agnir sem áður hafa verið lagðar niður.
Myndir teknar á vettvangi sýna kaldúðunaraðferðina sem notuð var við fimm samfelldar undirbúningar á MG-húðun/SUS 304 við 550°C.
Hreyfiorka agnanna, og þar með skriðþungi hverrar agnar í húðunarmynduninni, verður að breytast í aðrar orkuform með ferlum eins og plastaflögun (upphafleg víxlverkun agna og agna-agna í undirlaginu og agnavíxlverkun), samþjöppun holrúma, snúning agna-agna, álag og að lokum hita 39. Ennfremur, ef ekki öll innkomandi hreyfiorka er breytt í hita og álagsorku, þá verður teygjanlegur árekstur, sem þýðir að agnirnar skoppa einfaldlega til baka eftir árekstur. Bent hefur verið á að 90% af árekstursorkunni sem beitt er á agnina/undirlagsefnið breytist í staðbundinn hita 40. Ennfremur, þegar árekstursálag er beitt, næst mikill plastálagshraði á snertisvæði agna/undirlags á mjög skömmum tíma 41,42.
Plastaflögun er almennt talin vera orkudreifing, eða nánar tiltekið, varmagjafi á millifletissvæðinu. Hins vegar er hitastigshækkun á millifletissvæðinu yfirleitt ekki nægjanleg til að framleiða bráðnun á millifletissvæðinu eða til að stuðla verulega að dreifingu frumeinda. Engin rit sem höfundunum er kunnugt um rannsaka áhrif eiginleika þessara málmkenndu glerkenndu dufts á viðloðun og útfellingu dufts sem á sér stað þegar kaltúðunaraðferðir eru notaðar.
BFI MG Cu50Zr20Ni30 málmblöndudufts má sjá á mynd 12a, sem var húðað á SUS 304 undirlag (myndir 11, 12b). Eins og sjá má á myndinni halda húðuðu duftin upprunalegri ókristallaðri uppbyggingu sinni þar sem þau hafa viðkvæma völundarhúsbyggingu án nokkurra kristallaeinkenna eða grindargalla. Hins vegar gefur myndin til kynna tilvist utanaðkomandi fasa, eins og nanóagnir sem eru innlimaðar í MG-húðaða duftgrunninn benda til (mynd 12a). Mynd 12c sýnir vísitölubundið nanógeisladreifingarmynstur (NBDP) tengt svæði I (mynd 12a). Eins og sést á mynd 12c sýnir NBDP veikt halódreifingarmynstur með ókristallaðri uppbyggingu og er til staðar samhliða skörpum blettum sem samsvara kristallaða stóra teningslaga Zr2Ni stöðuga ásamt fjórhyrningslaga CuO fasa. Myndun CuO má rekja til oxunar duftsins þegar það ferðast frá stút úðabyssunnar að SUS 304 í útiloftið undir yfirhljóðsstraumi. Hins vegar leiddi afglerjun málmkenndra dufta til myndunar stórra teningsfasa eftir kalda úðameðferð við 550°C í 30 mínútur.
(a) FE-HRTEM mynd af MG duftlökkuðu á (b) SUS 304 undirlagi (innskot myndar). NBDP vísitalan fyrir hringlaga táknið sem sýnt er í (a) er sýnd í (c).
Til að staðfesta þennan mögulega feril fyrir myndun stórra rúmmetra Zr2Ni nanóagna var framkvæmd óháð tilraun. Í þessari tilraun var duftinu úðað úr úðabyssu við 550°C í átt að SUS 304 undirlaginu; til að skýra glæðingaráhrif duftsins voru þau fjarlægð af SUS304 ræmunni eins fljótt og auðið er (um 60 sekúndur). Önnur tilraunaöð var framkvæmd þar sem duft var fjarlægt af undirlaginu um 180 sekúndum eftir útfellingu.
Myndir 13a og 13b sýna myndir af dökksviði (DFI) sem teknar voru með rafeindasmásjárskoðun (STEM) á tveimur úðuðum efnum sem sett voru á SUS 304 undirlag í 60 sekúndur og 180 sekúndur, talið í sömu röð. Myndin af duftinu sem sett var á í 60 sekúndur hefur engin formfræðileg smáatriði og sýnir enga eiginleika (mynd 13a). Þetta var einnig staðfest með XRD, sem benti til þess að almenn uppbygging duftsins væri ókristallað, eins og sést af breiðu aðal- og annars stigs dreifingarhámarki sem sýnd eru á mynd 14a. Þetta bendir til fjarveru úrfellingar í ummyndunar-/mesofasa, þar sem duftið heldur upprunalegri ókristalla uppbyggingu sinni. Aftur á móti sýndi duftið sem úðað var við sama hitastig (550 °C), en látið vera á undirlaginu í 180 sekúndur, útfellingu nanóstórra korna, eins og örvarnar á mynd 13b gefa til kynna.