Nature.com ला भेट दिल्याबद्दल धन्यवाद. तुम्ही वापरत असलेल्या ब्राउझरच्या आवृत्तीमध्ये CSS साठी मर्यादित समर्थन आहे. सर्वोत्तम अनुभवासाठी, आम्ही शिफारस करतो की तुम्ही अद्ययावत ब्राउझर वापरा (किंवा इंटरनेट एक्सप्लोररमध्ये कॉम्पॅटिबिलिटी मोड अक्षम करा). यादरम्यान, सतत समर्थन सुनिश्चित करण्यासाठी, आम्ही ही साइट स्टाईल्स आणि जावास्क्रिप्टशिवाय प्रस्तुत करू.
बायोफिल्म हे दीर्घकालीन संसर्गाच्या विकासातील एक महत्त्वाचा घटक आहेत, विशेषतः वैद्यकीय उपकरणांच्या बाबतीत. ही समस्या वैद्यकीय समुदायासमोर एक मोठे आव्हान उभी करते, कारण सामान्य प्रतिजैविके बायोफिल्मला केवळ अत्यंत मर्यादित प्रमाणातच नष्ट करू शकतात. बायोफिल्म निर्मिती रोखण्याच्या प्रयत्नांमुळे विविध कोटिंग पद्धती आणि नवीन सामग्रीचा विकास झाला आहे. या तंत्रांचा उद्देश पृष्ठभागांवर अशा प्रकारे लेप लावणे आहे की ज्यामुळे बायोफिल्म निर्मिती रोखली जाईल. काचेसारखे धातूंचे मिश्रधातू, विशेषतः तांबे आणि टायटॅनियम धातू असलेले, आदर्श सूक्ष्मजीवविरोधी लेप बनले आहेत. त्याच वेळी, कोल्ड स्प्रे तंत्रज्ञानाचा वापर वाढला आहे, कारण तापमान-संवेदनशील सामग्रीवर प्रक्रिया करण्यासाठी ही एक योग्य पद्धत आहे. या संशोधनाचा एक उद्देश मेकॅनिकल अलॉइंग तंत्रांचा वापर करून Cu-Zr-Ni या त्रिसंयुजी मिश्रणापासून बनलेली एक नवीन जीवाणूविरोधी फिल्म मेटॅलिक ग्लास विकसित करणे हा होता. अंतिम उत्पादनात असलेली गोलाकार पावडर कमी तापमानात स्टेनलेस स्टीलच्या पृष्ठभागांवर कोल्ड स्प्रेइंग करण्यासाठी कच्चा माल म्हणून वापरली जाते. मेटॅलिक ग्लासचा लेप लावलेले सब्सट्रेट्स स्टेनलेस स्टीलच्या तुलनेत बायोफिल्म निर्मिती किमान १ लॉगने लक्षणीयरीत्या कमी करू शकले.
मानवी इतिहासात, प्रत्येक समाजाने आपल्या विशिष्ट गरजा पूर्ण करण्यासाठी नवीन सामग्री विकसित केली आहे आणि तिचा वापर वाढवला आहे, ज्यामुळे जागतिकीकृत अर्थव्यवस्थेत उत्पादकता आणि स्थान वाढले आहे¹. एका देशातून किंवा प्रदेशातून दुसऱ्या देशात आरोग्य, शिक्षण, उद्योग, अर्थशास्त्र, संस्कृती आणि इतर क्षेत्रांमध्ये यश मिळवण्यासाठी सामग्री आणि उत्पादन उपकरणांची रचना करण्याची, तसेच सामग्रीचे उत्पादन आणि वैशिष्ट्ये ठरवण्याची मानवी क्षमता कारणीभूत ठरली आहे. देश किंवा प्रदेशाचा विचार न करता प्रगती मोजली जाते². गेल्या ६० वर्षांपासून, सामग्री शास्त्रज्ञांनी एका मुख्य कार्यासाठी बराच वेळ दिला आहे: नवीन आणि प्रगत सामग्रीचा शोध. अलीकडील संशोधनाने विद्यमान सामग्रीची गुणवत्ता आणि कार्यक्षमता सुधारण्यावर, तसेच पूर्णपणे नवीन प्रकारच्या सामग्रीचे संश्लेषण आणि शोध लावण्यावर लक्ष केंद्रित केले आहे.
मिश्रधातू घटकांचा समावेश, पदार्थाच्या सूक्ष्म संरचनेत बदल आणि औष्णिक, यांत्रिक किंवा औष्णिक-यांत्रिक प्रक्रिया पद्धतींच्या वापरामुळे विविध पदार्थांच्या यांत्रिक, रासायनिक आणि भौतिक गुणधर्मांमध्ये लक्षणीय सुधारणा झाली आहे. याव्यतिरिक्त, आतापर्यंत अज्ञात असलेली संयुगे यशस्वीरित्या संश्लेषित केली गेली आहेत. या अथक प्रयत्नांमुळे नाविन्यपूर्ण पदार्थांच्या एका नवीन कुटुंबाचा उदय झाला आहे, ज्यांना एकत्रितपणे 'प्रगत पदार्थ' (Advanced Materials) म्हणून ओळखले जाते. नॅनोक्रिस्टल्स, नॅनोपार्टिकल्स, नॅनोट्यूब्स, क्वांटम डॉट्स, शून्य-मितीय, अस्फटिकी धातूंचे काच (अमॉर्फस मेटॅलिक ग्लासेस) आणि उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्रधातू ही गेल्या शतकाच्या मध्यापासून जगात उदयास आलेल्या प्रगत पदार्थांची काही उदाहरणे आहेत. सुधारित गुणधर्मांसह नवीन मिश्रधातूंच्या निर्मिती आणि विकासामध्ये, अंतिम उत्पादनात आणि त्याच्या उत्पादनाच्या मध्यवर्ती टप्प्यांमध्ये, असंतुलनाची समस्या अनेकदा उद्भवते. संतुलनापासून लक्षणीय विचलनास परवानगी देणाऱ्या नवीन उत्पादन तंत्रांच्या परिचयामुळे, धातूंचे काच (मेटॅलिक ग्लासेस) म्हणून ओळखल्या जाणाऱ्या अस्थिर मिश्रधातूंचा (मेटास्टेबल अलॉय) एक संपूर्ण नवीन वर्ग शोधला गेला आहे.
१९६० मध्ये कॅलटेक येथे त्यांनी केलेल्या कार्यामुळे धातूंच्या मिश्रधातूंच्या संकल्पनेत क्रांती घडली, जेव्हा त्यांनी प्रति सेकंद सुमारे दहा लाख अंश वेगाने द्रवांचे जलद घनीकरण करून Au-25 at.% Si काचेसारखे मिश्रधातू संश्लेषित केले. प्राध्यापक पॉल डुवेस यांच्या या शोधाने केवळ ऐतिहासिक धातूंच्या काचांची (MS) सुरुवातच केली नाही, तर धातूंच्या मिश्रधातूंबद्दल लोकांच्या विचार करण्याच्या पद्धतीतही एक मोठे स्थित्यंतर घडवून आणले. धातूंच्या काचांच्या संश्लेषणातील अगदी पहिल्या अग्रगामी संशोधनापासून, जवळजवळ सर्व धातूंच्या काचा खालीलपैकी एका पद्धतीचा वापर करून पूर्णपणे मिळवल्या गेल्या आहेत: (i) वितळलेल्या पदार्थाचे किंवा बाष्पाचे जलद घनीकरण, (ii) अणूंच्या जाळीतील अव्यवस्था, (iii) शुद्ध धातूंच्या मूलद्रव्यांमधील घन-अवस्थेतील अस्फटिकीकरण अभिक्रिया आणि (iv) अस्थिर अवस्थांचे घन अवस्थांतरण.
क्रिस्टल्समध्ये आढळणाऱ्या दीर्घ-श्रेणीच्या अणू रचनेच्या अभावामुळे एमजी (मेटॅलिक ग्लासेस) ओळखले जातात, जे क्रिस्टल्सचे एक निश्चित वैशिष्ट्य आहे. आधुनिक जगात, मेटॅलिक ग्लासच्या क्षेत्रात मोठी प्रगती झाली आहे. हे मनोरंजक गुणधर्म असलेले नवीन पदार्थ आहेत, जे केवळ घन-अवस्था भौतिकशास्त्रासाठीच नव्हे, तर धातुशास्त्र, पृष्ठ रसायनशास्त्र, तंत्रज्ञान, जीवशास्त्र आणि इतर अनेक क्षेत्रांसाठी देखील महत्त्वाचे आहेत. या नवीन प्रकारच्या पदार्थांचे गुणधर्म कठीण धातूंपेक्षा वेगळे आहेत, ज्यामुळे ते विविध क्षेत्रांतील तांत्रिक उपयोगांसाठी एक आकर्षक पर्याय ठरतात. त्यांचे काही महत्त्वाचे गुणधर्म आहेत: (i) उच्च यांत्रिक तन्यता आणि उत्पन्न शक्ती, (ii) उच्च चुंबकीय पारगम्यता, (iii) कमी कोअरसिव्हिटी, (iv) असामान्य क्षरण प्रतिरोध, (v) तापमान-निरपेक्षता. चालकता ६.७.
मेकॅनिकल अलॉइंग (MA)¹,⁸ ही एक तुलनेने नवीन पद्धत आहे, जी सर्वप्रथम १९८३⁹ मध्ये प्रा. के. के. कोक आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी सादर केली. त्यांनी खोलीच्या तापमानाजवळच्या सामान्य तापमानावर शुद्ध मूलद्रव्यांचे मिश्रण दळून अस्फटिक Ni⁶⁰Nb⁴⁰ पावडर तयार केली. सामान्यतः, एमए (MA) अभिक्रिया ही एका रिॲक्टरमध्ये, जो सहसा स्टेनलेस स्टीलचा बनलेला असतो, अभिक्रियेच्या पावडरच्या विसरण बंधनाद्वारे बॉल मिलमध्ये पार पाडली जाते.¹⁰ (आकृती १अ, ब). तेव्हापासून, ही यांत्रिकरित्या प्रेरित घन-अवस्था अभिक्रिया पद्धत कमी (आकृती १क) आणि उच्च ऊर्जा बॉल मिल्स आणि रॉड मिल्स¹¹,¹²,¹³,¹⁴,¹⁵,¹⁶ वापरून नवीन अस्फटिक/धातु-काच मिश्रधातू पावडर तयार करण्यासाठी वापरली गेली आहे. विशेषतः, ही पद्धत Cu-Ta¹⁷ सारख्या अविद्राव्य प्रणाली तसेच Al-संक्रमण धातू (TM, Zr, Hf, Nb आणि Ta)¹⁸,¹⁹ आणि Fe-W²⁰ प्रणालींसारख्या उच्च वितळणबिंदू असलेल्या मिश्रधातू तयार करण्यासाठी वापरली गेली आहे. जे पारंपारिक स्वयंपाक पद्धती वापरून मिळवता येत नाही. याव्यतिरिक्त, मेटल ऑक्साईड, कार्बाइड, नायट्राइड, हायड्राइड, कार्बन नॅनोट्यूब, नॅनोडायमंड्स यांच्या नॅनोक्रिस्टलाइन आणि नॅनोकंपोझिट पावडर कणांच्या औद्योगिक स्तरावरील उत्पादनासाठी, तसेच टॉप-डाउन दृष्टिकोन वापरून व्यापक स्थिरीकरणासाठी एमए (MA) हे सर्वात शक्तिशाली नॅनोटेक्नोलॉजिकल साधनांपैकी एक मानले जाते. 1 आणि मेटास्टेबल टप्पे.
या अभ्यासात Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 मेटॅलिक ग्लास कोटिंग तयार करण्यासाठी वापरलेली उत्पादन पद्धत दर्शवणारी योजनाबद्ध आकृती. (a) कमी-ऊर्जा बॉल मिलिंग पद्धतीचा वापर करून Ni x च्या विविध सांद्रतेसह (x; 10, 20, 30, आणि 40 अणु%) MC मिश्रधातू पावडरची तयारी. (a) सुरुवातीचे साहित्य टूल स्टील बॉलसह टूल सिलेंडरमध्ये भरले जाते आणि (b) हीलियम (He) वातावरणाने भरलेल्या ग्लोव्ह बॉक्समध्ये सीलबंद केले जाते. (c) ग्राइंडिंग वेसलचे पारदर्शक मॉडेल, जे ग्राइंडिंग दरम्यान बॉलची हालचाल दर्शवते. 50 तासांनंतर मिळालेल्या अंतिम पावडर उत्पादनाचा वापर SUS 304 सबस्ट्रेटवर कोल्ड स्प्रे कोटिंग करण्यासाठी केला गेला (d).
जेव्हा स्थूल पदार्थांच्या पृष्ठभागांचा (सबस्ट्रेट्स) विचार केला जातो, तेव्हा पृष्ठभाग अभियांत्रिकीमध्ये मूळ स्थूल पदार्थात नसलेले विशिष्ट भौतिक, रासायनिक आणि तांत्रिक गुणधर्म प्रदान करण्यासाठी पृष्ठभागांची (सबस्ट्रेट्सची) रचना आणि सुधारणा करणे समाविष्ट असते. पृष्ठभाग उपचारांद्वारे प्रभावीपणे सुधारता येणाऱ्या काही गुणधर्मांमध्ये घर्षण, ऑक्सिडेशन आणि क्षरण प्रतिरोध, घर्षण गुणांक, जैव-निष्क्रियता, विद्युत गुणधर्म आणि औष्णिक इन्सुलेशन यांचा समावेश होतो, ही त्यापैकी काही उदाहरणे आहेत. पृष्ठभागाची गुणवत्ता धातुशास्त्रीय, यांत्रिक किंवा रासायनिक पद्धतींनी सुधारली जाऊ शकते. एक सुप्रसिद्ध प्रक्रिया म्हणून, लेपन (कोटिंग) म्हणजे दुसऱ्या पदार्थापासून बनवलेल्या स्थूल वस्तूच्या (सबस्ट्रेटच्या) पृष्ठभागावर कृत्रिमरित्या लावलेला पदार्थाचा एक किंवा अधिक थर, अशी साधी व्याख्या केली जाते. अशाप्रकारे, लेपनांचा उपयोग अंशतः इच्छित तांत्रिक किंवा सजावटीचे गुणधर्म प्राप्त करण्यासाठी, तसेच पर्यावरणासोबत होणाऱ्या अपेक्षित रासायनिक आणि भौतिक आंतरक्रियांपासून पदार्थांचे संरक्षण करण्यासाठी केला जातो.
काही मायक्रोमीटर (१०-२० मायक्रोमीटरपेक्षा कमी) ते ३० मायक्रोमीटरपेक्षा जास्त किंवा अगदी काही मिलिमीटर जाडीचे योग्य संरक्षक थर लावण्यासाठी विविध पद्धती आणि तंत्रे वापरली जाऊ शकतात. सर्वसाधारणपणे, कोटिंग प्रक्रिया दोन श्रेणींमध्ये विभागल्या जाऊ शकतात: (i) ओल्या कोटिंग पद्धती, ज्यामध्ये इलेक्ट्रोप्लेटिंग, आणि हॉट डिप गॅल्व्हनायझिंग यांचा समावेश आहे, आणि (ii) कोरड्या कोटिंग पद्धती, ज्यामध्ये सोल्डरिंग, हार्डफेसिंग, फिजिकल व्हेपर डिपॉझिशन (PVD), केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन (CVD), थर्मल स्प्रे तंत्र, आणि अगदी अलीकडे कोल्ड स्प्रे तंत्र २४ (आकृती १d) यांचा समावेश आहे.
बायोफिल्म म्हणजे पृष्ठभागांना अपरिवर्तनीयपणे चिकटलेले आणि स्वतः तयार केलेल्या बाह्यकोशिकीय पॉलिमरने (EPS) वेढलेले सूक्ष्मजीवांचे समुदाय. पृष्ठभागावर परिपक्व बायोफिल्म तयार झाल्यामुळे अन्न प्रक्रिया, जलप्रणाली आणि आरोग्यसेवा यांसारख्या अनेक उद्योगांमध्ये मोठे नुकसान होऊ शकते. मानवांमध्ये, बायोफिल्म तयार झाल्यामुळे, सूक्ष्मजीवांच्या संसर्गाची (एन्टेरोबॅक्टेरियासी आणि स्टॅफिलोकोकायसह) ८०% पेक्षा जास्त प्रकरणे उपचार करण्यास कठीण होतात. याव्यतिरिक्त, प्लँक्टॉनिक जिवाणू पेशींच्या तुलनेत परिपक्व बायोफिल्म प्रतिजैविक उपचारांना १००० पट अधिक प्रतिरोधक असल्याचे आढळून आले आहे, जे एक मोठे उपचारात्मक आव्हान मानले जाते. ऐतिहासिकदृष्ट्या, सामान्य सेंद्रिय संयुगांपासून बनवलेल्या प्रतिजैविक पृष्ठभाग लेपन सामग्रीचा वापर केला गेला आहे. जरी अशा सामग्रीमध्ये अनेकदा मानवांसाठी संभाव्यतः हानिकारक विषारी घटक असले तरी,२५,२६ यामुळे जिवाणूंचा प्रसार आणि सामग्रीचा ऱ्हास टाळण्यास मदत होऊ शकते.
बायोफिल्म निर्मितीमुळे प्रतिजैविक उपचारांना जिवाणूंचा व्यापक प्रतिकार निर्माण झाल्याने, सुरक्षितपणे लावता येईल अशा प्रभावी प्रतिजैविक आवरणाने लेपित पृष्ठभाग विकसित करण्याची गरज निर्माण झाली आहे²⁷. या प्रक्रियेतील पहिला दृष्टिकोन म्हणजे एक असा भौतिक किंवा रासायनिक चिकट-विरोधी पृष्ठभाग विकसित करणे, ज्यावर जिवाणू पेशी चिकटू शकत नाहीत आणि चिकटण्यामुळे बायोफिल्म तयार करू शकत नाहीत²⁷. दुसरे तंत्रज्ञान म्हणजे अशी आवरणे विकसित करणे, जी प्रतिजैविक रसायने अत्यंत केंद्रित आणि गरजेनुसार योग्य प्रमाणात, नेमकी जिथे गरज आहे तिथे पोहोचवतात. हे ग्राफीन/जर्मेनियम²⁸, ब्लॅक डायमंड²⁹ आणि ZnO³⁰-मिश्रित डायमंड-लाइक कार्बन यांसारख्या जिवाणूंना प्रतिरोधक असलेल्या अद्वितीय लेपन सामग्रीच्या विकासाद्वारे साध्य केले जाते; हे एक असे तंत्रज्ञान आहे जे बायोफिल्म निर्मितीमुळे विषारीपणा आणि प्रतिकारशक्तीचा विकास वाढवते. याव्यतिरिक्त, जिवाणूंच्या संसर्गापासून दीर्घकाळ संरक्षण देणारी जंतुनाशक रसायने असलेली आवरणे अधिकाधिक लोकप्रिय होत आहेत. जरी या तिन्ही प्रक्रिया लेपित पृष्ठभागांवर प्रतिजैविक क्रिया करण्यास सक्षम असल्या तरी, प्रत्येकाच्या स्वतःच्या मर्यादा आहेत, ज्यांचा वापर धोरण विकसित करताना विचार केला पाहिजे.
जैविक दृष्ट्या सक्रिय घटकांसाठी संरक्षक लेपांचे विश्लेषण आणि चाचणी करण्यासाठी वेळेच्या अभावामुळे सध्या बाजारात उपलब्ध असलेल्या उत्पादनांना अडथळा येत आहे. कंपन्या दावा करतात की त्यांची उत्पादने वापरकर्त्यांना अपेक्षित कार्यात्मक पैलू प्रदान करतील, तथापि, हा सध्या बाजारात असलेल्या उत्पादनांच्या यशात एक अडथळा बनला आहे. सध्या ग्राहकांसाठी उपलब्ध असलेल्या बहुसंख्य सूक्ष्मजीव-विरोधी उत्पादनांमध्ये चांदीपासून मिळवलेल्या संयुगांचा वापर केला जातो. ही उत्पादने वापरकर्त्यांना सूक्ष्मजीवांच्या संभाव्य हानिकारक संपर्कापासून वाचवण्यासाठी तयार केली जातात. चांदीच्या संयुगांचा विलंबित सूक्ष्मजीव-विरोधी परिणाम आणि त्याच्याशी संबंधित विषारीपणा यामुळे संशोधकांवर कमी हानिकारक पर्याय विकसित करण्याचा दबाव वाढतो36,37. आतून आणि बाहेरून काम करणारा एक जागतिक सूक्ष्मजीव-विरोधी लेप तयार करणे हे एक आव्हान आहे. यामध्ये आरोग्य आणि सुरक्षिततेचे धोकेही आहेत. मानवांसाठी कमी हानिकारक असलेला सूक्ष्मजीव-विरोधी घटक शोधणे आणि त्याला जास्त काळ टिकणाऱ्या लेपाच्या पृष्ठभागांमध्ये कसे समाविष्ट करावे हे शोधून काढणे, हे एक अत्यंत महत्त्वाचे ध्येय आहे38. नवीनतम सूक्ष्मजीव-विरोधी आणि अँटीबायोफिल्म सामग्री थेट संपर्काद्वारे किंवा सक्रिय घटक सोडल्यानंतर जवळच्या अंतरावर जीवाणूंना मारण्यासाठी तयार केली जाते. ते जिवाणूंच्या सुरुवातीच्या आसंजनाला प्रतिबंध करून (ज्यात पृष्ठभागावर प्रथिनांचा थर तयार होण्यास प्रतिबंध करणे समाविष्ट आहे) किंवा पेशीभित्तिकेमध्ये व्यत्यय आणून जिवाणूंना मारून हे करू शकतात.
मूलतः, पृष्ठभाग लेपन म्हणजे पृष्ठभागाची वैशिष्ट्ये सुधारण्यासाठी घटकाच्या पृष्ठभागावर दुसरा थर लावण्याची प्रक्रिया आहे. पृष्ठभाग लेपनाचा उद्देश घटकाच्या पृष्ठभागाजवळील भागाची सूक्ष्मरचना आणि/किंवा रचना बदलणे हा असतो³⁹. पृष्ठभाग लेपन पद्धतींचे विविध पद्धतींमध्ये वर्गीकरण केले जाऊ शकते, ज्यांचा सारांश आकृती २अ मध्ये दिला आहे. लेपन तयार करण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या पद्धतीनुसार लेपनांचे औष्णिक, रासायनिक, भौतिक आणि विद्युत रासायनिक श्रेणींमध्ये वर्गीकरण केले जाऊ शकते.
(अ) मुख्य पृष्ठभाग निर्मिती तंत्रे दर्शवणारे एक लहान चित्र, आणि (ब) कोल्ड स्प्रे पद्धतीचे निवडक फायदे आणि तोटे.
कोल्ड स्प्रे तंत्रज्ञान आणि पारंपरिक थर्मल स्प्रे तंत्र यांच्यात बरेच साम्य आहे. तथापि, काही प्रमुख मूलभूत गुणधर्म देखील आहेत जे कोल्ड स्प्रे प्रक्रिया आणि कोल्ड स्प्रे सामग्रीला विशेषतः अद्वितीय बनवतात. कोल्ड स्प्रे तंत्रज्ञान अजूनही सुरुवातीच्या टप्प्यात आहे, परंतु त्याचे भविष्य उज्ज्वल आहे. काही प्रकरणांमध्ये, कोल्ड स्प्रेइंगचे अद्वितीय गुणधर्म मोठे फायदे देतात, ज्यामुळे पारंपरिक थर्मल स्प्रेइंग तंत्रांच्या मर्यादा दूर होतात. हे पारंपरिक थर्मल स्प्रे तंत्रज्ञानाच्या महत्त्वपूर्ण मर्यादांवर मात करते, ज्यामध्ये सब्सट्रेटवर जमा करण्यासाठी पावडर वितळवावी लागते. साहजिकच, ही पारंपरिक कोटिंग प्रक्रिया नॅनोक्रिस्टल्स, नॅनोपार्टिकल्स, अमॉर्फस आणि मेटॅलिक ग्लासेस40, 41, 42 सारख्या अत्यंत तापमान-संवेदनशील सामग्रीसाठी योग्य नाही. याव्यतिरिक्त, थर्मल स्प्रे कोटिंग सामग्रीमध्ये नेहमीच उच्च पातळीची सच्छिद्रता आणि ऑक्साईड्स असतात. कोल्ड स्प्रे तंत्रज्ञानाचे थर्मल स्प्रे तंत्रज्ञानापेक्षा अनेक महत्त्वपूर्ण फायदे आहेत, जसे की (i) सब्सट्रेटला कमीतकमी उष्णता देणे, (ii) सब्सट्रेट कोटिंग निवडण्यात लवचिकता, (iii) फेज ट्रान्सफॉर्मेशन आणि ग्रेन ग्रोथ नसणे, (iv) उच्च आसंजन शक्ती1.39 (आकृती 2b). याव्यतिरिक्त, कोल्ड स्प्रे कोटिंग मटेरियलमध्ये उच्च गंज प्रतिरोधकता, उच्च सामर्थ्य आणि कडकपणा, उच्च विद्युत चालकता आणि उच्च घनता असते⁴¹. कोल्ड स्प्रे प्रक्रियेचे फायदे असूनही, या पद्धतीमध्ये अजूनही काही तोटे आहेत, जसे की आकृती २ब मध्ये दाखवले आहे. Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂, WC इत्यादींसारख्या शुद्ध सिरॅमिक पावडरचे कोटिंग करताना, कोल्ड स्प्रे पद्धत वापरता येत नाही. दुसरीकडे, सिरॅमिक/मेटल कंपोझिट पावडर कोटिंगसाठी कच्चा माल म्हणून वापरल्या जाऊ शकतात. इतर थर्मल स्प्रेइंग पद्धतींसाठीही हेच लागू होते. कठीण पृष्ठभाग आणि पाईपच्या आतील भागांवर स्प्रे करणे अजूनही अवघड आहे.
सध्याचे काम कोटिंगसाठी प्रारंभिक साहित्य म्हणून धातूंच्या काचमय पावडरच्या वापरावर केंद्रित आहे हे लक्षात घेता, हे स्पष्ट आहे की या उद्देशासाठी पारंपारिक थर्मल स्प्रेइंग वापरले जाऊ शकत नाही. याचे कारण असे आहे की धातूंच्या काचमय पावडर उच्च तापमानावर स्फटिकीकरण पावतात¹.
वैद्यकीय आणि अन्न उद्योगांमध्ये वापरली जाणारी बहुतेक उपकरणे शस्त्रक्रिया उपकरणांच्या उत्पादनासाठी १२ ते २०% वजनी क्रोमियम असलेल्या ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील मिश्रधातू (SUS316 आणि SUS304) पासून बनवलेली असतात. हे सर्वसाधारणपणे मान्य आहे की स्टील मिश्रधातूंमध्ये क्रोमियम धातूचा मिश्रधातू घटक म्हणून वापर केल्याने प्रमाणित स्टील मिश्रधातूंचा क्षरण-प्रतिरोध लक्षणीयरीत्या सुधारू शकतो. स्टेनलेस स्टील मिश्रधातू, त्यांच्या उच्च क्षरण-प्रतिरोध असूनही, लक्षणीय सूक्ष्मजीव-विरोधी गुणधर्म नसतात38,39. हे त्यांच्या उच्च क्षरण-प्रतिरोधाच्या विरुद्ध आहे. त्यानंतर, संसर्ग आणि दाह यांचा विकास होण्याचा अंदाज वर्तवता येतो, जे प्रामुख्याने स्टेनलेस स्टीलच्या जैवपदार्थांच्या पृष्ठभागावर जिवाणूंचे चिकटणे आणि वसाहतीकरणामुळे होतात. जिवाणूंचे चिकटणे आणि बायोफिल्म निर्मितीच्या मार्गांशी संबंधित महत्त्वपूर्ण अडचणींमुळे गंभीर समस्या उद्भवू शकतात, ज्यामुळे आरोग्यावर विपरीत परिणाम होऊ शकतो, ज्याचे मानवी आरोग्यावर प्रत्यक्ष किंवा अप्रत्यक्षपणे परिणाम करणारे अनेक दुष्परिणाम होऊ शकतात.
हा अभ्यास, कुवेत फाउंडेशन फॉर द ॲडव्हान्समेंट ऑफ सायन्स (KFAS) द्वारे निधीपुरवठा केलेल्या, करार क्रमांक २०१०-५५०४०१, एका प्रकल्पाचा पहिला टप्पा आहे. या प्रकल्पाचा उद्देश एमए (MA) तंत्रज्ञानाचा वापर करून मेटॅलिक ग्लासी Cu-Zr-Ni टर्नरी पावडर तयार करण्याच्या व्यवहार्यतेची तपासणी करणे आहे (तक्ता १) SUS304 अँटीबॅक्टेरियल पृष्ठभाग संरक्षण फिल्म/कोटिंगच्या उत्पादनासाठी. प्रकल्पाचा दुसरा टप्पा, जो जानेवारी २०२३ मध्ये सुरू होणार आहे, त्यामध्ये गॅल्व्हॅनिक क्षरण वैशिष्ट्ये आणि प्रणालीच्या यांत्रिक गुणधर्मांचा तपशीलवार अभ्यास केला जाईल. विविध प्रकारच्या जीवाणूंसाठी तपशीलवार सूक्ष्मजैविक चाचण्या केल्या जातील.
या लेखात आकारिक आणि संरचनात्मक वैशिष्ट्यांच्या आधारावर, झिरकोनियम (Zr) मिश्रधातूच्या प्रमाणाचा काच निर्मिती क्षमतेवर (GFA) होणाऱ्या परिणामाची चर्चा केली आहे. याव्यतिरिक्त, पावडर कोटेड मेटल ग्लास/SUS304 कंपोझिटच्या जिवाणूविरोधी गुणधर्मांवरही चर्चा करण्यात आली आहे. तसेच, तयार केलेल्या मेटॅलिक ग्लास सिस्टीमच्या सुपरकूल्ड लिक्विड प्रदेशात कोल्ड स्प्रेइंग दरम्यान मेटॅलिक ग्लास पावडरमध्ये होणाऱ्या संरचनात्मक परिवर्तनाच्या शक्यतेची तपासणी करण्यासाठी सध्या काम सुरू आहे. या अभ्यासात प्रातिनिधिक उदाहरणे म्हणून Cu50Zr30Ni20 आणि Cu50Zr20Ni30 मेटॅलिक ग्लास मिश्रधातू वापरण्यात आले.
या विभागात कमी-ऊर्जा बॉल मिलिंग दरम्यान Cu, Zr आणि Ni या मूलद्रव्यांच्या चूर्णांमध्ये होणारे आकारशास्त्रीय बदल सादर केले आहेत. उदाहरणादाखल Cu50Zr20Ni30 आणि Cu50Zr40Ni10 या दोन वेगवेगळ्या प्रणाली वापरल्या जातील. दळण्याच्या टप्प्यात मिळालेल्या चूर्णाच्या धातुरचनाशास्त्रीय वैशिष्ट्यीकरणावरून (आकृती ३) दिसून येते की, एमए (MA) प्रक्रिया तीन स्वतंत्र टप्प्यांमध्ये विभागली जाऊ शकते.
बॉल ग्राइंडिंगच्या विविध टप्प्यांनंतर मिळवलेल्या मेकॅनिकल अलॉय (MA) पावडरची धातुरचनाशास्त्रीय वैशिष्ट्ये. Cu50Zr20Ni30 प्रणालीसाठी, त्याच MA वर ३, १२ आणि ५० तास कमी ऊर्जेच्या बॉल मिलिंगनंतर मिळवलेल्या MA आणि Cu50Zr40Ni10 पावडरच्या फील्ड एमिशन स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (FE-SEM) प्रतिमा (a), (c) आणि (e) मध्ये दर्शविल्या आहेत. काही काळानंतर घेतलेल्या Cu50Zr40Ni10 प्रणालीच्या संबंधित प्रतिमा (b), (d), आणि (f) मध्ये दर्शविल्या आहेत.
बॉल मिलिंग दरम्यान, धातूच्या पावडरमध्ये हस्तांतरित केली जाऊ शकणारी प्रभावी गतिज ऊर्जा ही आकृती 1a मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे अनेक घटकांच्या संयोजनामुळे प्रभावित होते. यामध्ये बॉल आणि पावडरमधील टक्कर, दळण माध्यमांमध्ये अडकलेल्या पावडरचे कर्तन संकुचन, खाली पडणाऱ्या बॉलचे आघात, बॉल मिलच्या फिरणाऱ्या भागांमध्ये पावडरच्या घर्षणामुळे होणारे कर्तन आणि झीज, आणि खाली पडणाऱ्या बॉलमधून जाणारी आणि भारित कल्चरमधून पसरणारी शॉक वेव्ह यांचा समावेश होतो (आकृती 1a). Элементарные порошки Cu, Zr и Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки на ранней стадии МА (3 ч), что привебракобокурбоку деформированы частиц порошка (> 1 мм в диаметре). MA च्या सुरुवातीच्या टप्प्यात (3 तास) कोल्ड वेल्डिंगमुळे Cu, Zr आणि Ni या मूलद्रव्यांच्या पावडरमध्ये तीव्र विकृती आली, ज्यामुळे 1 मिमी पेक्षा जास्त व्यासाचे मोठे पावडर कण तयार झाले.आकृती ३अ,ब मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, या मोठ्या संमिश्र कणांमध्ये मिश्रधातू घटकांचे (Cu, Zr, Ni) जाड थर तयार होणे हे वैशिष्ट्य आहे. एमए (MA) वेळ १२ तासांपर्यंत (मध्यवर्ती टप्पा) वाढवल्यामुळे बॉल मिलच्या गतिज ऊर्जेत वाढ झाली, ज्यामुळे संमिश्र पावडरचे लहान पावडरमध्ये (२०० μm पेक्षा कमी) विघटन झाले, जसे आकृती ३क,ड मध्ये दाखवले आहे. या टप्प्यावर, लावलेल्या कर्तन बलामुळे Cu, Zr, Ni च्या पातळ थरांसह एक नवीन धातूचा पृष्ठभाग तयार होतो, जसे आकृती ३क,ड मध्ये दाखवले आहे. फ्लेक्सच्या इंटरफेसवरील थरांच्या दळणामुळे, नवीन टप्प्यांच्या निर्मितीसह घन-अवस्था अभिक्रिया घडतात.
एमए प्रक्रियेच्या परमोच्च बिंदूवर (50 तासांनंतर), फ्लेक मेटलोग्राफी क्वचितच लक्षात येण्यासारखी होती (आकृती 3e, f), आणि पावडरच्या पॉलिश केलेल्या पृष्ठभागावर मिरर मेटलोग्राफी दिसून आली. याचा अर्थ असा की एमए प्रक्रिया पूर्ण झाली होती आणि एकच प्रतिक्रिया टप्पा तयार झाला होता. आकृती 3e (I, II, III), f, v, vi) मध्ये दर्शविलेल्या क्षेत्रांची मूलद्रव्य रचना एनर्जी डिसपर्सिव्ह एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDS) च्या संयोगाने फील्ड एमिशन स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (FE-SEM) वापरून निर्धारित केली गेली. (IV).
तक्ता २ मध्ये, आकृती ३e, f मध्ये निवडलेल्या प्रत्येक भागाच्या एकूण वस्तुमानाच्या टक्केवारीनुसार मिश्रधातू घटकांची सांद्रता दर्शविली आहे. या परिणामांची तुलना तक्ता १ मध्ये दिलेल्या Cu50Zr20Ni30 आणि Cu50Zr40Ni10 च्या सुरुवातीच्या नाममात्र रचनांशी केल्यास असे दिसून येते की, या दोन अंतिम उत्पादनांच्या रचना नाममात्र रचनांच्या खूप जवळ आहेत. याव्यतिरिक्त, आकृती ३e, f मध्ये सूचीबद्ध केलेल्या भागांसाठी घटकांची सापेक्ष मूल्ये एका भागातून दुसऱ्या भागात प्रत्येक नमुन्याच्या रचनेत लक्षणीय बिघाड किंवा बदल झाल्याचे सूचित करत नाहीत. एका भागातून दुसऱ्या भागात रचनेत कोणताही बदल होत नाही, या वस्तुस्थितीवरून हे सिद्ध होते. हे तक्ता २ मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे एकसमान मिश्रधातू चूर्णांचे उत्पादन दर्शवते.
Cu50(Zr50-xNix) अंतिम उत्पादन पावडरचे FE-SEM मायक्रोग्राफ 50 MA वेळा दळल्यानंतर मिळवले गेले, जसे की आकृती 4a-d मध्ये दाखवले आहे, जिथे x अनुक्रमे 10, 20, 30 आणि 40 at.% आहे. या दळण्याच्या टप्प्यानंतर, व्हॅन डर वाल्स प्रभावामुळे पावडरचे समूह तयार होतात, ज्यामुळे 73 ते 126 nm व्यासाच्या अतिसूक्ष्म कणांचे मोठे समूह तयार होतात, जसे की आकृती 4 मध्ये दाखवले आहे.
५० तासांच्या MA नंतर मिळालेल्या Cu50(Zr50-xNix) पावडरची आकारशास्त्रीय वैशिष्ट्ये. Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 प्रणालींसाठी, ५० MA नंतर मिळालेल्या पावडरच्या FE-SEM प्रतिमा अनुक्रमे (a), (b), (c), आणि (d) मध्ये दर्शविल्या आहेत.
कोल्ड स्प्रे फीडरमध्ये पावडर भरण्यापूर्वी, त्यांना प्रथम ॲनालिटिकल ग्रेड इथेनॉलमध्ये १५ मिनिटे सोनिकेट केले गेले आणि नंतर १५०° से. तापमानावर २ तास वाळवले गेले. ही पायरी आवश्यक आहे कारण त्यामुळे होणारे गुठळ्या होणे (ॲग्लोमरेशन) यशस्वीरित्या टाळता येते, ज्यामुळे कोटिंग प्रक्रियेत अनेक गंभीर समस्या निर्माण होतात. एमए प्रक्रिया पूर्ण झाल्यानंतर, मिश्रधातूच्या पावडरची एकजिनसीपणा तपासण्यासाठी पुढील अभ्यास करण्यात आले. आकृती ५अ-ड मध्ये, ५० तास एमए नंतर घेतलेले Cu50Zr30Ni20 मिश्रधातूच्या Cu, Zr आणि Ni या मिश्रधातू घटकांचे अनुक्रमे एफई-एसईएम मायक्रोग्राफ आणि संबंधित ईडीएस प्रतिमा दर्शविल्या आहेत. हे लक्षात घ्यावे की या पायरीनंतर मिळालेली मिश्रधातूची पावडर एकजिनसी आहे, कारण आकृती ५ मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, ती उप-नॅनोमीटर पातळीच्या पलीकडे रचनेत कोणताही चढउतार दर्शवत नाही.
FE-SEM/एनर्जी डिसपर्सिव्ह एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDS) द्वारे 50 MA नंतर मिळवलेल्या MG Cu50Zr30Ni20 पावडरमधील घटकांचे आकारशास्त्र आणि स्थानिक वितरण. (a) (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα, आणि (d) Ni-Kα चे SEM आणि एक्स-रे EDS इमेजिंग.
५० तासांच्या यांत्रिक मिश्रण प्रक्रियेनंतर (MA) मिळवलेल्या Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, आणि Cu50Zr20Ni30 या यांत्रिकरित्या मिश्रित चूर्णांचे एक्स-रे विवर्तन नमुने अनुक्रमे आकृती ६अ-ड मध्ये दाखवले आहेत. या दळण्याच्या टप्प्यानंतर, वेगवेगळ्या Zr सांद्रता असलेल्या सर्व नमुन्यांमध्ये आकृती ६ मध्ये दर्शवल्याप्रमाणे वैशिष्ट्यपूर्ण प्रभामंडल विसरण नमुन्यांसह अनाकार संरचना होत्या.
५० तास एमए (MA) केल्यानंतर Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), आणि Cu50Zr20Ni30 (d) पावडरचे एक्स-रे विवर्तन नमुने. अपवाद न करता सर्व नमुन्यांमध्ये हॅलो-डिफ्यूजन नमुना दिसून आला, जो अस्फटिक अवस्थेची निर्मिती दर्शवतो.
वेगवेगळ्या एमए (MA) वेळेनुसार बॉल मिलिंगमुळे तयार झालेल्या पावडरमधील संरचनात्मक बदल पाहण्यासाठी आणि स्थानिक संरचना समजून घेण्यासाठी उच्च रिझोल्यूशन फील्ड एमिशन ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (FE-HRTEM) चा वापर करण्यात आला. Cu50Zr30Ni20 आणि Cu50Zr40Ni10 पावडरच्या ग्राइंडिंगच्या सुरुवातीच्या (6 तास) आणि मधल्या (18 तास) टप्प्यांनंतर FE-HRTEM पद्धतीने मिळवलेल्या पावडरच्या प्रतिमा अनुक्रमे आकृती 7a मध्ये दर्शविल्या आहेत. 6 तासांच्या एमए (MA) नंतर मिळालेल्या पावडरच्या ब्राईट-फील्ड इमेज (BFI) नुसार, पावडरमध्ये fcc-Cu, hcp-Zr, आणि fcc-Ni घटकांच्या स्पष्ट सीमा असलेले मोठे कण आहेत आणि प्रतिक्रियाशील टप्प्याच्या (reaction phase) निर्मितीची कोणतीही चिन्हे नाहीत, जसे आकृती 7a मध्ये दर्शविले आहे. याव्यतिरिक्त, मध्य भागातून (a) घेतलेल्या सहसंबंधित निवडक क्षेत्र विवर्तन नमुन्याने (SADP) एक तीक्ष्ण विवर्तन नमुना (आकृती 7b) उघड केला, जो मोठ्या स्फटिकांची उपस्थिती आणि प्रतिक्रियाशील टप्प्याची अनुपस्थिती दर्शवितो.
सुरुवातीच्या (६ तास) आणि मधल्या (१८ तास) टप्प्यांनंतर मिळालेल्या एमए पावडरची स्थानिक संरचनात्मक वैशिष्ट्ये. (अ) ६ तासांच्या एमए उपचारानंतरच्या Cu50Zr30Ni20 पावडरचे उच्च रिझोल्यूशन फील्ड एमिशन ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (FE-HRTEM) आणि (ब) संबंधित सिलेक्टेड एरिया डिफ्रेक्टोग्राम (SADP). १८ तासांच्या एमए नंतर मिळालेल्या Cu50Zr40Ni10 ची FE-HRTEM प्रतिमा (क) मध्ये दर्शविली आहे.
आकृती 7c मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, MA चा कालावधी 18 तासांपर्यंत वाढवल्याने प्लॅस्टिक विरूपणासह गंभीर लॅटिस दोष निर्माण झाले. MA प्रक्रियेच्या या मध्यवर्ती टप्प्यावर, पावडरमध्ये स्टॅकिंग फॉल्ट्स, लॅटिस दोष आणि पॉइंट दोषांसह विविध दोष दिसून येतात (आकृती 7). या दोषांमुळे मोठ्या कणांचे, कण सीमांच्या बाजूने, 20 nm पेक्षा लहान आकाराच्या उपकणांमध्ये विभाजन होते (आकृती 7c).
३६ तास एमए (MA) साठी दळलेल्या Cu50Z30Ni20 पावडरच्या स्थानिक संरचनेचे वैशिष्ट्य म्हणजे, आकृती ८अ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, एका अनाकार पातळ मॅट्रिक्समध्ये अंतर्भूत असलेल्या अतिसूक्ष्म नॅनोकणांची निर्मिती होय. ईएमएफच्या (EMF) स्थानिक विश्लेषणातून असे दिसून आले की, आकृती ८अ मध्ये दर्शविलेले नॅनोक्लस्टर्स हे प्रक्रिया न केलेल्या Cu, Zr आणि Ni पावडर मिश्रधातूंशी संबंधित आहेत. मॅट्रिक्समधील Cu चे प्रमाण ~३२ अणु% (गरीब क्षेत्र) ते ~७४ अणु% (समृद्ध क्षेत्र) पर्यंत बदलत होते, जे विषम उत्पादनांची निर्मिती दर्शवते. याव्यतिरिक्त, या टप्प्यात दळल्यानंतर मिळालेल्या पावडरचे संबंधित एसएडीपी (SADPs) हे, आकृती ८ब मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, या प्रक्रिया न केलेल्या मिश्रधातू घटकांशी संबंधित तीक्ष्ण बिंदूंवर आच्छादित होणारे प्राथमिक आणि दुय्यम हॅलो-डिफ्यूजन अनाकार प्रावस्था वलय दर्शवतात.
बियॉन्ड 36 h-Cu50Zr30Ni20 पावडरची नॅनोस्केल स्थानिक संरचनात्मक वैशिष्ट्ये. (a) ब्राइट फील्ड इमेज (BFI) आणि 36 तास MA मिलिंगनंतर मिळालेल्या Cu50Zr30Ni20 पावडरचे संबंधित (b) SADP.
एमए प्रक्रियेच्या शेवटी (५० तास), Cu50(Zr50-xNix), X, १०, २०, ३०, आणि ४० अणु टक्के पावडरमध्ये, अपवाद वगळता, अस्फटिक अवस्थेची भुलभुलैयासारखी रचना आढळते, जसे आकृतीमध्ये दाखवले आहे. प्रत्येक रचनेच्या संबंधित एसएडीएसमध्ये बिंदू विवर्तन किंवा तीक्ष्ण वलयाकार नमुने आढळले नाहीत. हे अप्रक्रियाकृत स्फटिकमय धातूच्या अनुपस्थितीचे, परंतु अस्फटिक मिश्रधातू पावडरच्या निर्मितीचे द्योतक आहे. हॅलो डिफ्यूजन नमुने दर्शवणारे हे सहसंबंधित एसएडीपी अंतिम उत्पादन पदार्थामध्ये अस्फटिक अवस्थांच्या विकासाचा पुरावा म्हणून देखील वापरले गेले.
Cu50 MS प्रणालीच्या अंतिम उत्पादनाची (Zr50-xNix) स्थानिक रचना. 50 तास MA नंतर मिळवलेल्या (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30, आणि (d) Cu50Zr10Ni40 चे FE-HRTEM आणि सहसंबंधित नॅनोबीम विवर्तन नमुने (NBDP).
डिफरेंशियल स्कॅनिंग कॅलरीमेट्रीचा वापर करून, Cu50(Zr50-xNix) अस्फटिकी प्रणालीमधील Ni (x) च्या प्रमाणानुसार काच संक्रमण तापमान (Tg), अतिशीत द्रव प्रदेश (ΔTx) आणि स्फटिकीकरण तापमान (Tx) यांच्या औष्णिक स्थिरतेचा अभ्यास करण्यात आला. He वायू प्रवाहात (DSC) गुणधर्म. ५० तास MA नंतर मिळवलेल्या Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, आणि Cu50Zr10Ni40 अस्फटिकी मिश्रधातूंच्या चूर्णांचे DSC वक्र अनुक्रमे आकृती १०a, b, e मध्ये दर्शविले आहेत. तर अस्फटिकी Cu50Zr20Ni30 चा DSC वक्र आकृती १० मध्ये स्वतंत्रपणे दर्शविला आहे. त्याच वेळी, DSC मध्ये ~७००°C पर्यंत तापवलेला Cu50Zr30Ni20 नमुना आकृती १०g मध्ये दर्शविला आहे.
५० तासांच्या MA नंतर मिळवलेल्या Cu50(Zr50-xNix) MG पावडरची औष्णिक स्थिरता ही काच संक्रमण तापमान (Tg), स्फटिकीकरण तापमान (Tx) आणि अतिशीत द्रव प्रदेश (ΔTx) द्वारे निश्चित केली जाते. ५० तासांच्या MA नंतर Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c), आणि (e) Cu50Zr10Ni40 MG मिश्रधातू पावडरचे डिफरेंशियल स्कॅनिंग कॅलरीमीटर (DSC) थर्मोग्राम. DSC मध्ये ~७००°C पर्यंत तापवलेल्या Cu50Zr30Ni20 नमुन्याचा एक्स-रे विवर्तन नमुना (XRD) (d) मध्ये दर्शविला आहे.
आकृती १० मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, वेगवेगळ्या निकेल सांद्रता (x) असलेल्या सर्व रचनांसाठीचे DSC वक्र दोन भिन्न प्रकरणे दर्शवतात, एक उष्णताशोषक आणि दुसरे उष्णताक्षेपक. पहिली उष्णताशोषक घटना Tg शी संबंधित आहे, आणि दुसरी Tx शी संबंधित आहे. Tg आणि Tx यांच्यामध्ये असलेल्या आडव्या विस्ताराच्या क्षेत्राला सबकूल्ड लिक्विड क्षेत्र (ΔTx = Tx – Tg) म्हणतात. निकालांवरून असे दिसून येते की, आकृती १०ब मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, निकेलचे प्रमाण (x) वाढल्याने, Cu50Zr40Ni10 नमुन्याचे (आकृती १०अ) Tg आणि Tx, जे अनुक्रमे ५२६°C आणि ६१२°C वर आहेत, ते कमी तापमानाच्या बाजूला म्हणजेच ४८२°C आणि ५६३°C कडे सरकतात. परिणामी, Cu50Zr40Ni10 साठी ΔTx 86°C (आकृती 10a) पासून Cu50Zr30Ni20 साठी 81°C पर्यंत कमी होतो (आकृती 10b). MC Cu50Zr40Ni10 मिश्रधातूसाठी, Tg, Tx, आणि ΔTx च्या मूल्यांमध्ये 447°C, 526°C, आणि 79°C पर्यंत घट झाल्याचे देखील दिसून आले (आकृती 10b). यावरून असे दिसून येते की निकेलच्या (Ni) प्रमाणामध्ये वाढ झाल्यामुळे MS मिश्रधातूच्या औष्णिक स्थिरतेत घट होते. याउलट, MC Cu50Zr20Ni30 मिश्रधातूचे Tg मूल्य (507 °C) हे MC Cu50Zr40Ni10 मिश्रधातूच्या मूल्यापेक्षा कमी आहे; तरीही, त्याचे Tx मूल्य त्याच्याशी तुलनात्मक आहे (612 °C). म्हणून, आकृती १० व्या शतकात दाखवल्याप्रमाणे ΔTx चे मूल्य जास्त (८७°C) आहे.
Cu50Zr20Ni30 MC मिश्रधातूचे उदाहरण वापरून, Cu50(Zr50-xNix) MC प्रणाली एका तीव्र ऊष्मादायी शिखराद्वारे fcc-ZrCu5, ऑर्थोरॉम्बिक-Zr7Cu10, आणि ऑर्थोरॉम्बिक-ZrNi स्फटिकीय टप्प्यांमध्ये स्फटिकीकरण पावते (आकृती 10c). अस्फटिकीपासून स्फटिकी अवस्थेतील हे टप्पा संक्रमण, DSC मध्ये 700 °C पर्यंत तापवलेल्या MG नमुन्याच्या एक्स-रे विवर्तन विश्लेषणाद्वारे (आकृती 10d) पुष्टी करण्यात आले.
आकृती ११ मध्ये सध्याच्या कामात केलेल्या कोल्ड स्प्रे प्रक्रियेदरम्यान घेतलेली छायाचित्रे दाखवली आहेत. या अभ्यासात, ५० ​​तासांच्या एमए (MA) नंतर संश्लेषित केलेले धातूचे काचेसारखे पावडर कण (उदाहरण म्हणून Cu50Zr20Ni30 वापरून) जीवाणूरोधक कच्चा माल म्हणून वापरले गेले आणि स्टेनलेस स्टील प्लेटवर (SUS304) कोल्ड स्प्रे कोटिंग केले गेले. थर्मल स्प्रे तंत्रज्ञान मालिकेत कोटिंगसाठी कोल्ड स्प्रे पद्धत निवडली गेली, कारण ही थर्मल स्प्रे तंत्रज्ञान मालिकेतील सर्वात कार्यक्षम पद्धत आहे, जी अस्फटिक आणि नॅनोक्रिस्टलाइन पावडरसारख्या धातूंच्या अस्थिर उष्णता-संवेदनशील पदार्थांसाठी वापरली जाऊ शकते, ज्यात अवस्थांतरण होत नाही. ही पद्धत निवडण्यामागे हे मुख्य कारण आहे. कोल्ड डिपॉझिशन प्रक्रिया उच्च-वेगवान कणांचा वापर करून केली जाते, जे सब्सट्रेट किंवा आधीच जमा केलेल्या कणांवर आदळल्यावर कणांच्या गतिज ऊर्जेचे प्लास्टिक विरूपण, विकृती आणि उष्णतेमध्ये रूपांतर करतात.
क्षेत्रीय छायाचित्रांमध्ये 550°C तापमानावर MG/SUS 304 च्या पाच लागोपाठच्या तयारीसाठी वापरलेली कोल्ड स्प्रे प्रक्रिया दर्शविली आहे.
कोटिंगच्या निर्मितीदरम्यान कणांची गतिज ऊर्जा, तसेच प्रत्येक कणाचा संवेग, प्लास्टिक विरूपण (प्राथमिक कण आणि मॅट्रिक्समधील आंतरकणीय आंतरक्रिया आणि कणांमधील आंतरक्रिया), स्थायूंच्या आंतरस्थ गाठी, कणांमधील परिभ्रमण, विरूपण आणि मर्यादित उष्णता 39 यांसारख्या यंत्रणांद्वारे ऊर्जेच्या इतर स्वरूपांमध्ये रूपांतरित होणे आवश्यक आहे. याव्यतिरिक्त, जर येणारी सर्व गतिज ऊर्जा औष्णिक ऊर्जा आणि विरूपण ऊर्जेमध्ये रूपांतरित झाली नाही, तर त्याचा परिणाम स्थितिस्थापक टक्कर होईल, म्हणजेच आघातानंतर कण फक्त उसळून परत जातील. हे लक्षात आले आहे की कण/आधार सामग्रीवर लागू केलेल्या आघात ऊर्जेपैकी 90% स्थानिक उष्णतेमध्ये रूपांतरित होते 40. याव्यतिरिक्त, जेव्हा आघात ताण लागू केला जातो, तेव्हा कण/आधार संपर्क क्षेत्रात खूप कमी वेळात उच्च प्लास्टिक विकृती दर प्राप्त होतात41,42.
प्लास्टिक विरूपणाला सामान्यतः ऊर्जा क्षय होण्याची प्रक्रिया, किंवा आंतरपृष्ठीय प्रदेशातील उष्णतेचा स्रोत मानले जाते. तथापि, आंतरपृष्ठीय प्रदेशातील तापमानातील वाढ ही सहसा आंतरपृष्ठीय वितळण होण्यासाठी किंवा अणूंच्या परस्पर विसरणाला लक्षणीय चालना देण्यासाठी पुरेशी नसते. कोल्ड स्प्रे तंत्र वापरताना होणाऱ्या पावडरच्या आसंजनावर आणि स्थिरीकरणावर या धातूंच्या काचमय पावडरच्या गुणधर्मांच्या परिणामाचा अभ्यास लेखकांना ज्ञात असलेल्या कोणत्याही प्रकाशनात केलेला नाही.
SUS 304 सबस्ट्रेटवर (आकृती ११, १२ब) जमा केलेल्या MG Cu50Zr20Ni30 मिश्रधातूच्या पावडरचा BFI आकृती १२अ मध्ये पाहता येतो. आकृतीवरून पाहिल्याप्रमाणे, लेपित पावडर आपली मूळ अस्फटिकी रचना टिकवून ठेवते, कारण तिच्यात कोणत्याही स्फटिकी वैशिष्ट्यांशिवाय किंवा जाळीच्या दोषांशिवाय एक नाजूक भुलभुलैयासारखी रचना असते. दुसरीकडे, ही प्रतिमा एका परकीय टप्प्याची उपस्थिती दर्शवते, ज्याचा पुरावा MG-लेपित पावडर मॅट्रिक्समध्ये समाविष्ट असलेल्या नॅनोकणांवरून मिळतो (आकृती १२अ). आकृती १२क मध्ये प्रदेश I (आकृती १२अ) शी संबंधित अनुक्रमित नॅनोबीम विवर्तन नमुना (NBDP) दर्शविला आहे. आकृती १२क मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, NBDP अस्फटिकी रचनेचा एक कमकुवत हॅलो-डिफ्यूजन नमुना दर्शवतो आणि स्फटिकी मोठ्या घन अस्थिर Zr2Ni टप्प्याशी तसेच चतुष्कोणीय CuO टप्प्याशी संबंधित तीक्ष्ण ठिपक्यांसह सह-अस्तित्वात असतो. स्प्रे गनच्या नोझलमधून खुल्या हवेत सुपरसॉनिक प्रवाहात SUS 304 कडे जाताना पावडरच्या ऑक्सिडेशनमुळे CuO ची निर्मिती होते, असे स्पष्टीकरण देता येते. दुसरीकडे, 550°C तापमानावर 30 मिनिटांसाठी कोल्ड स्प्रे ट्रीटमेंट केल्यानंतर, धातूच्या काचेसारख्या पावडरच्या डिव्हिट्रिफिकेशनमुळे मोठ्या क्यूबिक फेजेसची निर्मिती झाली.
(a) (b) SUS 304 सबस्ट्रेटवर जमा केलेल्या MG पावडरची FE-HRTEM प्रतिमा (आकृती इनसेट). (a) मध्ये दर्शविलेल्या गोल चिन्हाचा NBDP निर्देशांक (c) मध्ये दर्शविला आहे.
मोठ्या घन Zr2Ni नॅनोकणांच्या निर्मितीच्या या संभाव्य यंत्रणेची चाचणी घेण्यासाठी, एक स्वतंत्र प्रयोग करण्यात आला. या प्रयोगात, 550°C तापमानावर एका ॲटोमायझरमधून SUS 304 सबस्ट्रेटच्या दिशेने पावडर फवारण्यात आली; तथापि, ॲनीलिंगचा परिणाम निश्चित करण्यासाठी, पावडर SUS304 पट्टीवरून शक्य तितक्या लवकर (सुमारे 60 सेकंदात) काढण्यात आली. प्रयोगांची आणखी एक मालिका करण्यात आली, ज्यामध्ये पावडर लावल्यानंतर सुमारे 180 सेकंदांनी सबस्ट्रेटवरून काढण्यात आली.
आकृती १३अ,ब मध्ये अनुक्रमे ६० सेकंद आणि १८० सेकंदांसाठी SUS 304 सबस्ट्रेटवर जमा केलेल्या दोन स्पटर केलेल्या पदार्थांच्या स्कॅनिंग ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (STEM) डार्क फील्ड (DFI) प्रतिमा दर्शविल्या आहेत. ६० सेकंदांसाठी जमा केलेल्या पावडरच्या प्रतिमेमध्ये आकारशास्त्रीय तपशिलांचा अभाव आहे, ज्यामुळे ती वैशिष्ट्यहीन दिसते (आकृती १३अ). याची पुष्टी XRD द्वारे देखील झाली, ज्यामध्ये आकृती १४अ मध्ये दर्शविलेल्या रुंद प्राथमिक आणि दुय्यम विवर्तन शिखरांवरून दिसून येते की, या पावडरची एकूण रचना अस्फटिक होती. हे अस्थिर/मेसोफेज अवक्षेपांची अनुपस्थिती दर्शवते, ज्यामध्ये पावडर तिची मूळ अस्फटिक रचना टिकवून ठेवते. याउलट, त्याच तापमानावर (५५०°C) जमा केलेली, परंतु सबस्ट्रेटवर १८० सेकंदांसाठी ठेवलेली पावडर नॅनो-आकाराच्या कणांचे निक्षेपण दर्शवते, जे आकृती १३ब मध्ये बाणांनी दर्शविले आहे.