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 एक्सप्लोररमधील कंपॅटिबिलिटी मोड बंद करा). यादरम्यान, सतत समर्थन सुनिश्चित करण्यासाठी, आम्ही ही साइट स्टाईल्स आणि जावास्क्रिप्टशिवाय प्रदर्शित करू.
बायोफिल्म हे दीर्घकालीन संसर्गाच्या विकासातील एक महत्त्वाचा घटक आहेत, विशेषतः जेव्हा वैद्यकीय उपकरणांचा संबंध येतो. ही समस्या वैद्यकीय समुदायासमोर एक मोठे आव्हान उभे 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 पद्धतींचा उद्देश पृष्ठभागांवर अशा प्रकारे लेप लावणे आहे की ज्यामुळे बायोफिल्म निर्मितीला प्रतिबंध होईल. मेटॅलिक ग्लासी मिश्रधातू, विशेषतः तांबे आणि टायटॅनियम धातू असलेले, आदर्श प्रतिजैविक लेप म्हणून उदयास आले आहेत. त्याच वेळी, कोल्ड स्प्रे तंत्रज्ञानाचा वापर वाढला आहे, कारण तापमान-संवेदनशील सामग्रीवर प्रक्रिया करण्यासाठी ही एक योग्य पद्धत आहे. या अभ्यासाचा एक उद्देश मेकॅनिकल अलॉइंग तंत्राचा वापर करून त्रिसंयुजी Cu-Zr-Ni पासून बनलेली एक नवीन प्रतिजैविक फिल्म मेटॅलिक ग्लास विकसित करणे हा होता. अंतिम उत्पादनात असलेली गोलाकार पावडर कमी तापमानात स्टेनलेस स्टीलच्या पृष्ठभागांवर कोल्ड स्प्रे कोटिंगसाठी कच्चा माल म्हणून वापरली जाते. मेटॅलिक ग्लासने लेपित केलेले सब्सट्रेट्स स्टेनलेस स्टीलच्या तुलनेत बायोफिल्म निर्मिती किमान १ लॉगने लक्षणीयरीत्या कमी करू शकले.
मानवी इतिहासात, प्रत्येक समाजाने आपल्या विशिष्ट गरजा पूर्ण करणाऱ्या नवीन सामग्रीची रचना करून तिचा वापर करण्यास प्रोत्साहन दिले आहे, ज्यामुळे जागतिकीकृत अर्थव्यवस्थेत कामगिरी आणि क्रमवारी सुधारली आहे. एका देशातून किंवा प्रदेशातून दुसऱ्या देशात आरोग्य, शिक्षण, उद्योग, अर्थशास्त्र, संस्कृती आणि इतर क्षेत्रांमध्ये प्रगती साधण्याचे श्रेय नेहमीच सामग्री, निर्मिती उपकरणे आणि सामग्री निर्मिती व वैशिष्ट्यीकरणासाठीच्या रचना विकसित करण्याच्या मानवी क्षमतेला दिले जाते. देश किंवा प्रदेश कोणताही असो, प्रगतीचे मोजमाप केले जाते. गेल्या ६० वर्षांपासून, सामग्री शास्त्रज्ञांनी आपला बराचसा वेळ एका प्रमुख ध्येयावर लक्ष केंद्रित करण्यासाठी समर्पित केला आहे: नवीन आणि अत्याधुनिक 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 तंत्रांच्या वापरामुळे विविध प्रकारच्या पदार्थांच्या यांत्रिक, रासायनिक आणि भौतिक गुणधर्मांमध्ये लक्षणीय सुधारणा झाली आहे. इतकेच नव्हे तर, आतापर्यंत अज्ञात असलेली संयुगे या टप्प्यावर 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 धात्विक काच (amorphous metallic glasses), आणि उच्च-एन्ट्रॉपी मिश्रधातू ही गेल्या शतकाच्या मध्यापासून जगात सादर केलेल्या प्रगत पदार्थांची काही उदाहरणे आहेत. उत्कृष्ट गुणधर्मांसह नवीन मिश्रधातूंचे उत्पादन आणि विकास करताना, अंतिम उत्पादनात किंवा त्याच्या उत्पादनाच्या मध्यवर्ती टप्प्यांमध्ये, अनेकदा असंतुलनाची समस्या निर्माण होते. संतुलनापासून लक्षणीयरीत्या विचलित होण्यासाठी नवीन निर्मिती तंत्र लागू केल्यामुळे, धात्विक काच (metallic glasses) म्हणून ओळखल्या जाणाऱ्या अस्थिर मिश्रधातूंचा (metastable alloys) एक संपूर्ण नवीन वर्ग शोधला गेला आहे.
१९६० मध्ये कॅलटेक येथे केलेल्या त्यांच्या कार्यामुळे धातूंच्या मिश्रधातूंच्या संकल्पनेत क्रांती घडली, जेव्हा त्यांनी प्रति सेकंद सुमारे दहा लाख अंश वेगाने द्रवांचे जलद घनीकरण करून काचेसारखे Au-25 at.% Si मिश्रधातू संश्लेषित केले. प्राध्यापक पॉल डुवेझ यांच्या या शोधाने केवळ धातूंच्या काचांच्या (MG) इतिहासाची सुरुवातच केली नाही, तर धातूंच्या मिश्रधातूंबद्दल लोकांच्या विचार करण्याच्या पद्धतीतही एक मोठे स्थित्यंतर घडवून आणले. धातूंच्या काचांच्या संश्लेषणातील सुरुवातीच्या अभ्यासापासून, जवळजवळ सर्व धातूंच्या काचा पूर्णपणे खालीलपैकी एक पद्धत वापरून तयार केल्या गेल्या आहेत; (i) वितळलेल्या पदार्थाचे किंवा वाफेचे जलद घनीकरण, (ii) जालक रचनेतील अणूंची अव्यवस्था, (iii) शुद्ध धातूंच्या मूलद्रव्यांमधील स्थायू-अवस्थेतील अस्फटिकीकरण अभिक्रिया, आणि (iv) अस्थिर अवस्थांचे स्थायू-अवस्थेतील संक्रमण.
क्रिस्टल्समध्ये आढळणाऱ्या दीर्घ-श्रेणीच्या अणू व्यवस्थेच्या अभावामुळे एमजी (मेटॅलिक ग्लासेस) ओळखले जातात, जे क्रिस्टल्सचे एक निश्चित वैशिष्ट्य आहे. आजच्या जगात, मेटॅलिक ग्लासच्या क्षेत्रात मोठी प्रगती झाली आहे. हे मनोरंजक गुणधर्म असलेले नवीन पदार्थ आहेत, जे केवळ घन-अवस्था भौतिकशास्त्रातच नव्हे, तर धातुशास्त्र, पृष्ठ रसायनशास्त्र, तंत्रज्ञान, जीवशास्त्र आणि इतर अनेक क्षेत्रांमध्येही महत्त्वाचे आहेत. या नवीन प्रकारचा पदार्थ घन धातूंपेक्षा वेगळे गुणधर्म दर्शवतो, ज्यामुळे तो विविध क्षेत्रांतील तांत्रिक उपयोगांसाठी एक आकर्षक पर्याय ठरतो. त्यांच्यामध्ये काही महत्त्वाचे गुणधर्म आहेत; (i) उच्च यांत्रिक लवचिकता आणि उत्पन्न शक्ती, (ii) उच्च चुंबकीय पारगम्यता, (iii) कमी कोअरसिव्हिटी, (iv) असामान्य गंज प्रतिरोध, (v) तापमान स्वातंत्र्य. चालकता 6,7.
मेकॅनिकल अलॉइंग (एमए)¹,⁸ हे एक तुलनेने नवीन तंत्र आहे, जे सर्वप्रथम १९८३ मध्ये प्रा. सी. सी. कॉक आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी सादर केले. त्यांनी खोलीच्या तापमानाजवळच्या सामान्य तापमानात शुद्ध मूलद्रव्यांचे मिश्रण दळून अस्फटिक Ni₆₀Nb₄₀ पावडर तयार केली. सामान्यतः, एमए (MA) अभिक्रिया ही एका रिॲक्टरमध्ये, जो सहसा स्टेनलेस स्टीलचा बनलेला असतो, बॉल मिल १० (आकृती १अ, ब) मध्ये अभिकारक पदार्थांच्या चूर्णांच्या विसरणीय संयोगाद्वारे पार पाडली जाते. तेव्हापासून, या यांत्रिकरित्या प्रेरित घन-अवस्था अभिक्रिया तंत्राचा उपयोग कमी (आकृती १क) आणि उच्च ऊर्जा बॉल मिल्स, तसेच रॉड मिल्स११,१२,१३,१४,१५, १६ वापरून नवीन अस्फटिक/धातु काच मिश्रधातू चूर्ण तयार करण्यासाठी केला गेला आहे. विशेषतः, या पद्धतीचा उपयोग Cu-Ta१७ सारख्या अविद्राव्य प्रणाली, तसेच Al-संक्रमण धातू प्रणाली (TM; Zr, Hf, Nb आणि Ta)१८,१९ आणि Fe-W२० सारख्या उच्च वितलन बिंदू असलेल्या मिश्रधातू तयार करण्यासाठी केला गेला आहे, जे पारंपारिक तयारीच्या मार्गांनी मिळवता येत नाहीत. याव्यतिरिक्त, एमए (MA) हे धातू ऑक्साईड, कार्बाइड, नायट्राइड, हायड्राइड, कार्बन यांचे औद्योगिक-प्रमाणात नॅनोक्रिस्टलाइन आणि नॅनोकंपोझिट चूर्ण कण तयार करण्यासाठी सर्वात शक्तिशाली नॅनोटेक्नॉलॉजी साधनांपैकी एक मानले जाते. नॅनोट्यूब, नॅनोडायमंड्स, तसेच टॉप-डाउन दृष्टिकोन 1 आणि मेटास्टेबल टप्प्यांद्वारे व्यापक स्थिरीकरण.
या अभ्यासात Cu50(Zr50−xNix) मेटॅलिक ग्लास (MG) कोटिंग/SUS 304 तयार करण्यासाठी वापरलेली उत्पादन पद्धत दर्शवणारी योजनाबद्ध आकृती. (a) कमी ऊर्जा बॉल मिलिंग तंत्राचा वापर करून वेगवेगळ्या Ni सांद्रता x (x; 10, 20, 30 आणि 40 at.%) असलेल्या MG मिश्रधातूच्या पावडरची तयारी. (a) सुरुवातीचे साहित्य टूल स्टील बॉलसह टूल सिलेंडरमध्ये भरले जाते, आणि (b) हीलियम (He) वातावरणाने भरलेल्या ग्लोव्ह बॉक्समध्ये सील केले जाते. (c) ग्राइंडिंग दरम्यान बॉलची गती दर्शवणारे ग्राइंडिंग पात्राचे एक पारदर्शक मॉडेल. 50 तासांनंतर मिळालेल्या पावडरच्या अंतिम उत्पादनाचा वापर कोल्ड स्प्रे पद्धतीने SUS 304 सब्सट्रेटवर 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 (सबस्ट्रेट्स) रचना आणि सुधारणा करणे समाविष्ट असते. पृष्ठभाग उपचारांद्वारे प्रभावीपणे सुधारता येणाऱ्या काही गुणधर्मांमध्ये घर्षण प्रतिरोध, ऑक्सिडेशन आणि क्षरण प्रतिरोध, घर्षण गुणांक, जैव-निष्क्रियता, विद्युत गुणधर्म आणि औष्णिक इन्सुलेशन यांचा समावेश होतो. धातुशास्त्रीय, यांत्रिक किंवा रासायनिक तंत्रांचा वापर करून पृष्ठभागाची गुणवत्ता सुधारली जाऊ शकते. एक सुप्रसिद्ध प्रक्रिया म्हणून, लेपनाची (कोटिंग) साधी व्याख्या म्हणजे दुसऱ्या पदार्थापासून बनवलेल्या स्थूल वस्तूच्या (सबस्ट्रेट) पृष्ठभागावर कृत्रिमरित्या जमा केलेला पदार्थाचा एक किंवा अनेक थर. अशाप्रकारे, लेपनांचा उपयोग काही इच्छित तांत्रिक किंवा सजावटीचे गुणधर्म प्राप्त करण्यासाठी, तसेच सभोवतालच्या पर्यावरणाशी 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 पृष्ठभाग संरक्षण थर जमा करण्यासाठी, अनेक पद्धती आणि तंत्रे वापरली जाऊ शकतात. सर्वसाधारणपणे, कोटिंग प्रक्रिया दोन श्रेणींमध्ये विभागल्या जाऊ शकतात: (i) ओल्या कोटिंग पद्धती, ज्यामध्ये इलेक्ट्रोप्लेटिंग, इलेक्ट्रोलेस प्लेटिंग आणि हॉट-डिप गॅल्व्हनायझिंग पद्धतींचा समावेश आहे, आणि (ii) कोरड्या कोटिंग पद्धती, ज्यामध्ये ब्रेझिंग, सरफेसिंग, 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 उद्योग, जलप्रणाली आणि आरोग्यसेवा यांसारख्या अनेक औद्योगिक क्षेत्रांमध्ये मोठे नुकसान होऊ शकते. मानवांमध्ये, जेव्हा बायोफिल्म तयार होतात, तेव्हा सूक्ष्मजीवांच्या संसर्गाची (एन्टेरोबॅक्टेरियासी आणि स्टॅफिलोकोकायसह) ८०% पेक्षा जास्त प्रकरणे उपचार करण्यास कठीण होतात. शिवाय, प्लँक्टॉनिक जिवाणू पेशींच्या तुलनेत परिपक्व बायोफिल्म प्रतिजैविक उपचारांना १००० पट अधिक प्रतिरोधक असल्याचे आढळून आले आहे, जे एक मोठे उपचारात्मक आव्हान मानले जाते. पारंपारिक सेंद्रिय संयुगांपासून मिळवलेले प्रतिजैविक पृष्ठभाग लेपन साहित्य ऐतिहासिकदृष्ट्या वापरले गेले आहे. जरी अशा साहित्यामध्ये अनेकदा विषारी घटक असतात जे मानवांसाठी संभाव्य धोकादायक असतात,२५,२६ तरीही ते जिवाणूंचा प्रसार आणि सामग्रीचा नाश टाळण्यास मदत करू शकते.
बायोफिल्म निर्मितीमुळे जिवाणूंमध्ये प्रतिजैविक उपचारांना निर्माण झालेल्या व्यापक प्रतिकारामुळे, सुरक्षितपणे लावता येईल अशा प्रभावी प्रतिजैविक झिल्ली-लेपित पृष्ठभाग विकसित करण्याची गरज निर्माण झाली आहे²⁷. या प्रक्रियेतील पहिला दृष्टिकोन म्हणजे एक असा भौतिक किंवा रासायनिक चिकटण्यास-प्रतिबंधक पृष्ठभाग विकसित करणे, ज्यावर जिवाणू पेशींना चिकटण्यापासून आणि आसंजनामुळे बायोफिल्म तयार करण्यापासून रोखले जाते²⁷. दुसरे तंत्रज्ञान म्हणजे असे लेप विकसित करणे, जे प्रतिजैविक रसायनांना अत्यंत केंद्रित आणि गरजेनुसार योग्य प्रमाणात, नेमके जिथे त्यांची गरज आहे तिथे पोहोचवण्यास सक्षम करतात. हे ग्राफीन/जर्मेनियम²⁸, ब्लॅक डायमंड²⁹ आणि ZnO-मिश्रित डायमंड-लाइक कार्बन कोटिंग्ज³⁰ यांसारख्या जिवाणूंना प्रतिरोधक असलेल्या अद्वितीय लेप सामग्री विकसित करून साध्य केले जाते, ज्यामुळे विषारीपणा आणि बायोफिल्म निर्मितीमुळे होणारा प्रतिकार लक्षणीयरीत्या कमी होतो. याव्यतिरिक्त, जिवाणूंच्या संसर्गापासून दीर्घकालीन संरक्षण देण्यासाठी पृष्ठभागांमध्ये जंतुनाशक रसायने समाविष्ट करणारे लेप अधिक लोकप्रिय होत आहेत. जरी या तिन्ही प्रक्रिया लेपित पृष्ठभागांवर प्रतिजैविक परिणाम निर्माण करण्यास सक्षम असल्या तरी, त्या प्रत्येकाच्या स्वतःच्या मर्यादा आहेत, ज्यांचा वापर धोरणे विकसित करताना विचार केला पाहिजे.
जैविक दृष्ट्या सक्रिय घटकांसाठी असलेल्या संरक्षक आवरणांचे विश्लेषण आणि चाचणी करण्यासाठी अपुरा वेळ मिळत असल्याने, सध्या बाजारात असलेल्या उत्पादनांना अडथळा येतो. कंपन्या दावा करतात की त्यांची उत्पादने वापरकर्त्यांना इष्ट कार्यात्मक पैलू प्रदान करतील; तथापि, सध्या बाजारात असलेल्या उत्पादनांच्या यशात हा एक अडथळा ठरला आहे. ग्राहकांसाठी आता उपलब्ध असलेल्या बहुसंख्य प्रतिजैविक उपचारांमध्ये चांदीपासून मिळवलेल्या संयुगांचा वापर केला जातो. ही उत्पादने वापरकर्त्यांना सूक्ष्मजीवांच्या संभाव्य धोकादायक परिणामांपासून वाचवण्यासाठी विकसित केली जातात. चांदीच्या संयुगांचा विलंबित प्रतिजैविक परिणाम आणि संबंधित विषारीपणामुळे संशोधकांवर कमी हानिकारक पर्याय विकसित करण्याचा दबाव वाढतो36,37. घराच्या आत आणि बाहेर काम करणारे जागतिक प्रतिजैविक कोटिंग तयार करणे हे अजूनही एक मोठे आव्हान ठरत आहे. याचे कारण आरोग्य आणि सुरक्षितता या दोन्हींशी संबंधित धोके आहेत. मानवांसाठी कमी हानिकारक असलेले प्रतिजैविक घटक शोधणे आणि जास्त काळ टिकणाऱ्या कोटिंग सब्सट्रेट्समध्ये त्याचा समावेश कसा करायचा हे शोधून काढणे हे एक अत्यंत महत्त्वाचे ध्येय आहे38. नवीनतम प्रतिजैविक आणि अँटी-बायोफिल्म सामग्री जीवाणूंना जवळून मारण्यासाठी तयार केली आहे, एकतर थेट संपर्काद्वारे किंवा सक्रिय घटक सोडल्यानंतर. ते जीवाणूंच्या सुरुवातीच्या आसंजनाला प्रतिबंध करून (पृष्ठभागावर प्रथिनांचा थर तयार होण्यास प्रतिबंध करण्यासह) किंवा पेशीभित्तीमध्ये व्यत्यय आणून जीवाणूंना मारून हे करू शकतात.
मूलतः, पृष्ठभाग लेपन म्हणजे पृष्ठभागाशी संबंधित गुणधर्म वाढवण्यासाठी घटकाच्या पृष्ठभागावर दुसरा थर लावण्याची प्रक्रिया आहे. पृष्ठभाग लेपनाचे उद्दिष्ट घटकाच्या पृष्ठभागाजवळील भागाची सूक्ष्मरचना आणि/किंवा रचना अनुकूल करणे हे आहे³⁹. पृष्ठभाग लेपन तंत्रांचे 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 उपविभाजन केले जाऊ शकते.
(अ) पृष्ठभागासाठी वापरल्या जाणाऱ्या मुख्य निर्मिती तंत्रांचे अंतर्चित्र, आणि (ब) कोल्ड स्प्रे तंत्राचे निवडक फायदे आणि तोटे.
कोल्ड स्प्रे तंत्रज्ञान आणि पारंपरिक थर्मल स्प्रे पद्धतींमध्ये अनेक साम्ये आहेत. 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. विशिष्ट अनुप्रयोगांमध्ये, कोल्ड स्प्रेचे अद्वितीय गुणधर्म मोठे फायदे देतात, ज्यामुळे सामान्य थर्मल स्प्रे पद्धतींच्या अंगभूत मर्यादांवर मात करता येते. हे पारंपरिक थर्मल स्प्रे तंत्रज्ञानाच्या महत्त्वपूर्ण मर्यादांवर मात करण्याचा एक मार्ग प्रदान करते, ज्या दरम्यान 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. शिवाय, थर्मल स्प्रे कोटिंग सामग्रीमध्ये नेहमीच उच्च पातळीची सच्छिद्रता आणि ऑक्साईड्स आढळतात. कोल्ड स्प्रे तंत्रज्ञानाचे थर्मल स्प्रे तंत्रज्ञानापेक्षा अनेक महत्त्वपूर्ण फायदे आहेत, जसे की (i) सब्सट्रेटला कमीतकमी उष्णता देणे, (ii) सब्सट्रेट कोटिंगच्या निवडीमध्ये लवचिकता, (iii) फेज ट्रान्सफॉर्मेशन आणि ग्रेन ग्रोथचा अभाव, (iv) उच्च बाँड स्ट्रेंथ1,39 (आकृती 2b). याव्यतिरिक्त, कोल्ड स्प्रे कोटिंग मटेरियलमध्ये उच्च गंज प्रतिरोधकता, उच्च सामर्थ्य आणि कडकपणा, उच्च विद्युत चालकता आणि उच्च घनता असते⁴¹. कोल्ड स्प्रे प्रक्रियेच्या फायद्यांच्या विरुद्ध, हे तंत्र वापरण्याचे काही तोटे देखील 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 स्प्रे पद्धतींसाठीही हेच लागू होते. गुंतागुंतीचे पृष्ठभाग आणि पाईपच्या आतील पृष्ठभागांवर स्प्रे करणे अजूनही कठीण आहे.
सध्याच्या कामाचा उद्देश मेटॅलिक ग्लासी पावडरचा कच्चा लेप म्हणून वापर करणे आहे, हे लक्षात घेता, हे स्पष्ट आहे की या उद्देशासाठी पारंपारिक थर्मल स्प्रेइंग वापरले जाऊ शकत नाही. याचे कारण असे की मेटॅलिक ग्लासी 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 मानक स्टील मिश्रधातूंचा गंज-प्रतिरोध मोठ्या प्रमाणात सुधारू शकतो. स्टेनलेस स्टील मिश्रधातू, त्यांच्या उच्च गंज-प्रतिरोध असूनही, लक्षणीय सूक्ष्मजीव-विरोधी गुणधर्म दर्शवत नाहीत38,39. हे त्यांच्या उच्च गंज-प्रतिरोधाच्या विरुद्ध आहे. यानंतर, संसर्ग आणि दाह यांचा विकास अपेक्षित असतो, जो प्रामुख्याने स्टेनलेस स्टीलच्या जैवपदार्थांच्या पृष्ठभागावर जिवाणूंचे चिकटणे आणि वसाहतीकरणामुळे होतो. जिवाणूंचे चिकटणे आणि बायोफिल्म निर्मितीच्या मार्गांशी संबंधित महत्त्वपूर्ण अडचणींमुळे गंभीर समस्या उद्भवू शकतात, ज्यामुळे आरोग्याची हानी होऊ शकते, ज्याचे मानवी आरोग्यावर प्रत्यक्ष किंवा अप्रत्यक्षपणे परिणाम करणारे अनेक दुष्परिणाम होऊ शकतात.
हा अभ्यास, अँटीबॅक्टेरियल फिल्म/SUS304 पृष्ठभाग संरक्षण कोटिंगच्या उत्पादनासाठी एमए तंत्रज्ञान (तक्ता १) वापरून मेटॅलिक ग्लासी Cu-Zr-Ni टर्नरी पावडर तयार करण्याच्या व्यवहार्यतेची तपासणी करण्यासाठी, कुवेत फाउंडेशन फॉर द ॲडव्हान्समेंट ऑफ सायन्स (KFAS) द्वारे करार क्रमांक २०१०-५५०४०१ अंतर्गत निधी दिलेल्या प्रकल्पाचा पहिला टप्पा आहे. प्रकल्पाचा दुसरा टप्पा, जो जानेवारी २०२३ मध्ये सुरू होणार आहे, त्यात प्रणालीच्या इलेक्ट्रोकेमिकल क्षरण वैशिष्ट्यांचे आणि यांत्रिक गुणधर्मांचे तपशीलवार परीक्षण केले जाईल. विविध जिवाणू प्रजातींसाठी तपशीलवार सूक्ष्मजैविक चाचण्या केल्या जातील.
या शोधनिबंधात, आकारिक आणि संरचनात्मक वैशिष्ट्यांच्या आधारावर, झिरकोनियम (Zr) मिश्रधातू घटकाच्या प्रमाणाचा काच निर्मिती क्षमतेवर (GFA) होणाऱ्या परिणामावर चर्चा केली आहे. याव्यतिरिक्त, लेपित मेटॅलिक ग्लास पावडर कोटिंग/SUS304 कंपोझिटच्या जिवाणूविरोधी गुणधर्मांवरही चर्चा करण्यात आली आहे. इतकेच नव्हे, तर तयार केलेल्या मेटॅलिक ग्लास सिस्टीमच्या सबकूल्ड लिक्विड प्रदेशात कोल्ड स्प्रेइंग दरम्यान मेटॅलिक ग्लास पावडरमध्ये होणाऱ्या संरचनात्मक परिवर्तनाच्या शक्यतेचा अभ्यास करण्यासाठी हे सद्य कार्य हाती घेण्यात आले आहे. प्रातिनिधिक उदाहरणे म्हणून, या अभ्यासात Cu50Zr30Ni20 आणि Cu50Zr20Ni30 या मेटॅलिक ग्लास मिश्रधातूंचा वापर करण्यात आला आहे.
या विभागात, कमी ऊर्जेच्या बॉल मिलिंगमध्ये Cu, Zr आणि Ni या मूलद्रव्यांच्या पावडरमध्ये होणारे आकारशास्त्रीय बदल सादर केले आहेत. उदाहरणादाखल, Cu50Zr20Ni30 आणि Cu50Zr40Ni10 या दोन वेगवेगळ्या प्रणालींचा प्रातिनिधिक उदाहरणे म्हणून वापर केला जाईल. दळण्याच्या टप्प्यात तयार झालेल्या पावडरच्या धातुरचनाशास्त्रीय वैशिष्ट्यीकरणानुसार (आकृती ३), एमए (MA) प्रक्रिया तीन वेगळ्या टप्प्यांमध्ये विभागली जाऊ शकते.
बॉल मिलिंगच्या वेगवेगळ्या टप्प्यांनंतर मिळवलेल्या मेकॅनिकल अलॉय (MA) पावडरची धातुरचनाशास्त्रीय वैशिष्ट्ये. Cu50Zr20Ni30 प्रणालीसाठी, 3, 12 आणि 50 तास कमी ऊर्जा बॉल मिलिंग वेळेनंतर मिळवलेल्या MA आणि Cu50Zr40Ni10 पावडरच्या फील्ड एमिशन स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (FE-SEM) प्रतिमा (a), (c) आणि (e) मध्ये दर्शविल्या आहेत, तर त्याच MA मध्ये, Cu50Zr40Ni10 प्रणालीच्या काही काळानंतर घेतलेल्या संबंधित प्रतिमा (b), (d) आणि (f) मध्ये दर्शविल्या आहेत.
बॉल मिलिंग दरम्यान, धातूच्या पावडरमध्ये हस्तांतरित होऊ शकणारी प्रभावी गतिज ऊर्जा ही पॅरामीटर्सच्या संयोजनामुळे प्रभावित होते, जसे की आकृती 1a मध्ये दर्शविले आहे. यामध्ये बॉल्स आणि पावडरमधील टक्कर, ग्राइंडिंग मीडियामध्ये अडकलेल्या पावडरचे संकुचित कातरण, खाली पडणाऱ्या बॉल्सचा आघात, हलत्या बॉल मिलिंग मीडियामध्ये पावडरच्या ओढीमुळे होणारे कातरण आणि झीज, आणि खाली पडणाऱ्या बॉल्समधून जाणारी शॉक वेव्ह यांचा समावेश होतो. MA च्या सुरुवातीच्या टप्प्यात (3 तास) कोल्ड वेल्डिंगमुळे Cu, Zr, आणि Ni या मूलद्रव्यांच्या पावडरमध्ये तीव्र विकृती निर्माण झाली, ज्यामुळे पावडरचे मोठे कण (व्यासाने >1 मिमी) तयार झाले. या मोठ्या संमिश्र कणांचे वैशिष्ट्य म्हणजे मिश्रधातू घटकांचे (Cu, Zr, Ni) जाड थर तयार होणे, जसे की आकृती 3a,b मध्ये दर्शविले आहे. MA चा वेळ 12 तासांपर्यंत (मध्यवर्ती टप्पा) वाढवल्यामुळे बॉल मिलच्या गतिज ऊर्जेत वाढ झाली, ज्यामुळे संमिश्र पावडरचे बारीक पावडरमध्ये (200 µm पेक्षा कमी) विघटन झाले, जसे की आकृतीमध्ये दर्शविले आहे. ३क,ड. या टप्प्यावर, लावलेल्या कर्तन बलामुळे, आकृती ३क,ड मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, तांबे (Cu), झिरकोनियम (Zr), निकेल (Ni) च्या सूक्ष्म थरांसह एका नवीन धातूच्या पृष्ठभागाची निर्मिती होते. थरांच्या सूक्ष्मीकरणामुळे, नवीन टप्पे निर्माण करण्यासाठी फ्लेक्सच्या इंटरफेसवर घन टप्प्यातील अभिक्रिया घडतात.
एमए प्रक्रियेच्या परमोच्च बिंदूवर (५० तासांनंतर), पापुद्र्यासारखी धातुरचना केवळ अस्पष्टपणे दिसत होती (आकृती ३इ,फ), परंतु चूर्णाच्या पॉलिश केलेल्या पृष्ठभागावर आरशासारखी धातुरचना दिसून आली. याचा अर्थ असा की एमए प्रक्रिया पूर्ण झाली आहे आणि एकाच अभिक्रिया अवस्थेची निर्मिती झाली आहे. आकृती ३इ (I, II, III), फ, v, vi) मध्ये अनुक्रमित केलेल्या भागांची मूलद्रव्यीय रचना, ऊर्जा विखुरण क्ष-किरण वर्णलेखन (EDS) (IV) सह एकत्रित केलेल्या क्षेत्र उत्सर्जन स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (FE-SEM) चा वापर करून निश्चित करण्यात आली.
तक्ता २ मध्ये, आकृती ३इ,फ मध्ये निवडलेल्या प्रत्येक भागाच्या एकूण वजनाच्या टक्केवारीनुसार मिश्रधातू घटकांची सांद्रता दर्शविली आहे. तक्ता १ मध्ये सूचीबद्ध केलेल्या Cu50Zr20Ni30 आणि Cu50Zr40Ni10 च्या सुरुवातीच्या नाममात्र रचनांशी या परिणामांची तुलना केल्यावर, असे दिसून येते की या दोन अंतिम उत्पादनांच्या रचनांची मूल्ये नाममात्र रचनांशी खूपच मिळतीजुळती आहेत. शिवाय, आकृती ३इ,फ मध्ये सूचीबद्ध केलेल्या भागांसाठीची सापेक्ष घटक मूल्ये, एका भागातून दुसऱ्या भागात प्रत्येक नमुन्याच्या रचनेत लक्षणीय बिघाड किंवा चढ-उतार झाल्याचे सूचित करत नाहीत. एका भागातून दुसऱ्या भागात रचनेत कोणताही बदल होत नाही, या वस्तुस्थितीवरून हे सिद्ध होते. तक्ता २ मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, हे एकसंध मिश्रधातू चूर्णाच्या उत्पादनाकडे निर्देश करते.
अंतिम उत्पादन Cu50(Zr50−xNix) 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 पावडर एकत्र येते, ज्यामुळे 73 ते 126 nm व्यासाच्या अतिसूक्ष्म कणांचे मोठे समूह तयार होतात, जसे की आकृती 4 मध्ये दाखवले आहे.
५० तासांच्या एमए वेळेनंतर मिळालेल्या Cu50(Zr50−xNix) पावडरची आकारशास्त्रीय वैशिष्ट्ये. Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 प्रणालींसाठी, ५० एमए वेळानंतर मिळालेल्या पावडरच्या एफई-एसईएम प्रतिमा अनुक्रमे (ए), (बी), (सी) आणि (डी) मध्ये दर्शविल्या आहेत.
कोल्ड स्प्रे फीडरमध्ये पावडर भरण्यापूर्वी, त्यांना प्रथम विश्लेषणात्मक दर्जाच्या इथेनॉलमध्ये १५ मिनिटे सोनिकेट केले गेले आणि नंतर १५०°C तापमानावर २ तास वाळवले गेले. कोटिंग प्रक्रियेदरम्यान अनेक गंभीर समस्या निर्माण करणाऱ्या गुठळ्या होण्यावर यशस्वीपणे मात करण्यासाठी ही पायरी उचलणे आवश्यक आहे. एमए प्रक्रिया पूर्ण झाल्यानंतर, मिश्रधातूच्या पावडरची एकजिनसीपणा तपासण्यासाठी पुढील वैशिष्ट्यीकरण केले गेले. आकृती ५अ–ड मध्ये, ५० तासांच्या एमए वेळेनंतर मिळालेल्या 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 तयार झालेली मिश्रधातूची पावडर एकजिनसी आहे, कारण आकृती ५ मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, ती उप-नॅनोमीटर पातळीच्या पलीकडे कोणतेही रचनात्मक चढउतार दर्शवत नाही.
FE-SEM/एनर्जी डिसपर्सिव्ह एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDS) द्वारे 50 MA काळानंतर मिळवलेल्या MG Cu50Zr30Ni20 पावडरचे आकारशास्त्र आणि स्थानिक मूलद्रव्य वितरण. (a) (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα आणि (d) Ni-Kα प्रतिमांचे SEM आणि एक्स-रे EDS मॅपिंग.
५० तासांच्या एमए (MA) वेळेनंतर मिळवलेल्या मेकॅनिकल अलॉईड Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 आणि Cu50Zr20Ni30 पावडरचे एक्सआरडी (XRD) पॅटर्न अनुक्रमे आकृती ६अ-ड मध्ये दाखवले आहेत. मिलिंगच्या या टप्प्यानंतर, वेगवेगळ्या झिरकोनियम (Zr) सांद्रता असलेल्या सर्व नमुन्यांनी आकृती ६ मध्ये दर्शवल्याप्रमाणे वैशिष्ट्यपूर्ण हॅलो डिफ्यूजन पॅटर्नसह अस्फटिकी संरचना दर्शवल्या.
५० तासांच्या एमए (MA) वेळेनंतर (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 आणि (d) Cu50Zr20Ni30 पावडरचे एक्सआरडी (XRD) पॅटर्न. अपवाद वगळता सर्व नमुन्यांनी हॅलो डिफ्यूजन पॅटर्न दर्शविला, जो अमोर्फस फेजच्या निर्मितीचे सूचक आहे.
वेगवेगळ्या एमए (MA) वेळेनुसार बॉल मिलिंगमुळे तयार झालेल्या पावडरमधील संरचनात्मक बदल पाहण्यासाठी आणि स्थानिक संरचना समजून घेण्यासाठी फील्ड एमिशन हाय-रिझोल्यूशन ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (FE-HRTEM) चा वापर करण्यात आला. Cu50Zr30Ni20 आणि Cu50Zr40Ni10 पावडरसाठी मिलिंगच्या सुरुवातीच्या (6 तास) आणि मधल्या (18 तास) टप्प्यांनंतर मिळालेल्या पावडरच्या FE-HRTEM प्रतिमा अनुक्रमे आकृती 7a,c मध्ये दर्शविल्या आहेत. 6 तासांच्या एमए (MA) नंतर तयार झालेल्या पावडरच्या ब्राइट फील्ड इमेज (BFI) नुसार, ही पावडर fcc-Cu, hcp-Zr आणि fcc-Ni या घटकांच्या सुस्पष्ट सीमा असलेल्या मोठ्या कणांनी बनलेली आहे आणि प्रतिक्रियाशील टप्पा (reaction phase) तयार झाल्याचे कोणतेही चिन्ह नाही, जसे आकृती 7a मध्ये दर्शविले आहे. याव्यतिरिक्त, (a) च्या मध्य भागातून घेतलेल्या सहसंबंधित निवडक क्षेत्र विवर्तन नमुन्याने (SADP) एक कस्प विवर्तन नमुना (cusp diffraction pattern) उघड केला (आकृती 7b), जो मोठ्या स्फटिकांची उपस्थिती आणि प्रतिक्रियाशील टप्प्याची अनुपस्थिती दर्शवितो.
सुरुवातीच्या (6 तास) आणि मधल्या (18 तास) टप्प्यांनंतर मिळालेल्या MA पावडरचे स्थानिक संरचनात्मक वैशिष्ट्यीकरण. (a) फील्ड एमिशन हाय रिझोल्यूशन ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (FE-HRTEM), आणि (b) 6 तास MA उपचारानंतर Cu50Zr30Ni20 पावडरचा संबंधित निवडक क्षेत्र विवर्तन नमुना (SADP). 18 तासांच्या MA वेळेनंतर मिळालेल्या Cu50Zr40Ni10 ची FE-HRTEM प्रतिमा (c) मध्ये दर्शविली आहे.
आकृती 7c मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, MA चा कालावधी 18 तासांपर्यंत वाढवल्याने प्लास्टिक विरूपणासह गंभीर जाळी दोष निर्माण झाले. MA प्रक्रियेच्या या मध्यवर्ती टप्प्यात, पावडरमध्ये स्टॅकिंग फॉल्ट्स, जाळी दोष आणि बिंदू दोषांसह विविध दोष दिसून येतात (आकृती 7). या दोषांमुळे मोठे कण त्यांच्या कण सीमांवर 20 nm पेक्षा कमी आकाराच्या उपकणांमध्ये विभागले जातात (आकृती 7c).
३६ तास एमए वेळेसाठी दळलेल्या Cu50Z30Ni20 पावडरच्या स्थानिक संरचनेत, आकृती ८अ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, एका अस्फटिक सूक्ष्म मॅट्रिक्समध्ये अंतर्भूत असलेल्या अतिसूक्ष्म नॅनोकणांची निर्मिती दिसून येते. स्थानिक ईडीएम विश्लेषणाने असे सूचित केले की आकृती ८अ मध्ये दिसणारे ते नॅनोक्लस्टर्स प्रक्रिया न केलेल्या Cu, Zr आणि Ni पावडरच्या मिश्रधातू घटकांशी संबंधित होते. त्याच वेळी, मॅट्रिक्समधील Cu चे प्रमाण ~३२ अणु% (विरल क्षेत्र) पासून ~७४ अणु% (समृद्ध क्षेत्र) पर्यंत बदलत होते, जे विषम उत्पादनांची निर्मिती दर्शवते. शिवाय, या टप्प्यावर दळल्यानंतर मिळालेल्या पावडरचे संबंधित एसएडीपी, आकृती ८ब मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, त्या कच्च्या मिश्रधातू घटकांशी संबंधित तीक्ष्ण बिंदूंवर आच्छादित होणारे, अस्फटिक अवस्थेचे प्रभामंडळ-विस्तारित प्राथमिक आणि दुय्यम कडे दर्शवतात.
36 तासांनंतरच्या Cu50Zr30Ni20 पावडरची नॅनोस्केल स्थानिक संरचनात्मक वैशिष्ट्ये. (a) 36 तास MA वेळेसाठी मिलिंग केल्यानंतर मिळालेली ब्राइट फील्ड इमेज (BFI) आणि संबंधित (b) SADP.
एमए प्रक्रियेच्या शेवटी (५० तास), Cu50(Zr50−xNix), X; १०, २०, ३० आणि ४० अणु% पावडरमध्ये आकृती ९अ-ड मध्ये दाखवल्याप्रमाणे नेहमीच एक भुलभुलैयासारखी अस्फटिकी प्रावस्था आकारविज्ञान आढळते. प्रत्येक रचनेच्या संबंधित एसएडीपीमध्ये, बिंदूसारखे विवर्तन किंवा तीक्ष्ण वलयाकार नमुने आढळले नाहीत. हे सूचित करते की कोणताही प्रक्रिया न केलेला स्फटिकी धातू उपस्थित नाही, तर त्याऐवजी एक अस्फटिकी मिश्रधातू पावडर तयार झाली आहे. हॅलो डिफ्यूजन नमुने दर्शवणारे हे सहसंबंधित एसएडीपी अंतिम उत्पादन सामग्रीमध्ये अस्फटिकी प्रावस्थांच्या विकासाचा पुरावा म्हणून देखील वापरले गेले.
MG Cu50 (Zr50−xNix) प्रणालीच्या अंतिम उत्पादनाची स्थानिक रचना. 50 तास MA नंतर प्राप्त झालेले (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 आणि (d) Cu50Zr10Ni40 यांचे FE-HRTEM आणि सहसंबंधित नॅनोबीम विवर्तन नमुने (NBDP).
हीलियम (He) वायू प्रवाहाखाली डिफरेंशियल स्कॅनिंग कॅलरीमेट्री (DSC) वापरून, अस्फटिक Cu50(Zr50−xNix) प्रणालीच्या Ni सामग्रीच्या (x) कार्यानुसार काच संक्रमण तापमान (Tg), सबकूल्ड लिक्विड रीजन (ΔTx) आणि स्फटिकीकरण तापमान (Tx) यांच्या औष्णिक स्थिरतेचा अभ्यास करण्यात आला आहे. ५० तासांच्या MA वेळेनंतर मिळवलेल्या Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 आणि Cu50Zr10Ni40 या अस्फटिक मिश्रधातूंच्या चूर्णांचे DSC आलेख अनुक्रमे आकृती १०अ, ब, इ मध्ये दाखवले आहेत. तर, अस्फटिक Cu50Zr20Ni30 चा DSC वक्र आकृती १०क मध्ये स्वतंत्रपणे दाखवला आहे. दरम्यान, DSC मध्ये ~७०० °C पर्यंत तापवलेला Cu50Zr30Ni20 नमुना आकृती १०ड मध्ये दाखवला आहे.
५० तासांच्या एमए (MA) वेळेनंतर मिळवलेल्या Cu50(Zr50−xNix) एमजी (MG) पावडरची औष्णिक स्थिरता, जी ग्लास ट्रान्झिशन तापमान (Tg), क्रिस्टलायझेशन तापमान (Tx), आणि सबकूल्ड लिक्विड रिजन (ΔTx) द्वारे दर्शविली आहे. ५० तासांच्या एमए (MA) वेळेनंतर (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 आणि (e) Cu50Zr10Ni40 एमजी (MG) मिश्रधातू पावडरचे डिफरेंशियल स्कॅनिंग कॅलरीमीटर (DSC) थर्मोग्राम. डीएससी (DSC) मध्ये ~७०० °C पर्यंत गरम केलेल्या Cu50Zr30Ni20 नमुन्याचा एक्स-रे डिफ्रेक्शन (XRD) पॅटर्न (d) मध्ये दर्शविला आहे.
आकृती १० मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, वेगवेगळ्या Ni सांद्रता (x) असलेल्या सर्व रचनांचे DSC वक्र दोन भिन्न प्रकरणे दर्शवतात, एक उष्णताशोषक आणि दुसरे उष्णताक्षेपक. पहिली उष्णताशोषक घटना Tg शी संबंधित आहे, तर दुसरी Tx शी संबंधित आहे. Tg आणि Tx दरम्यान असलेल्या क्षैतिज विस्तार क्षेत्राला सबकूल्ड लिक्विड रिजन (ΔTx = Tx – Tg) म्हणतात. निकालांवरून असे दिसून येते की, Cu50Zr40Ni10 नमुन्याचे (आकृती १०अ) Tg आणि Tx, जे अनुक्रमे ५२६°C आणि ६१२°C वर आहेत, Ni चे प्रमाण (x) वाढल्याने (आकृती १०ब मध्ये दाखवल्याप्रमाणे) अनुक्रमे ४८२°C आणि ५६३°C या कमी तापमानाच्या बाजूकडे सरकतात. परिणामी, Cu50Zr40Ni10 चा ΔTx ८६°C (आकृती १०अ) पासून ८१°C पर्यंत कमी होतो. Cu50Zr30Ni20 (आकृती 10b). MG Cu50Zr40Ni10 मिश्रधातूसाठी, असेही दिसून आले की Tg, Tx आणि ΔTx ची मूल्ये 447°C, 526°C आणि 79°C पर्यंत कमी झाली (आकृती 10b). यावरून असे दिसून येते की Ni चे प्रमाण वाढल्याने MG मिश्रधातूची औष्णिक स्थिरता कमी होते. याउलट, MG Cu50Zr20Ni30 मिश्रधातूचे Tg मूल्य (507 °C) हे MG Cu50Zr40Ni10 मिश्रधातूच्या तुलनेत कमी आहे; तरीही, त्याचे Tx पूर्वीच्या मूल्याशी (612 °C) तुलनात्मक मूल्य दर्शवते. त्यामुळे, ΔTx उच्च मूल्य (87°C) दर्शवते, जसे आकृती 10c मध्ये दाखवले आहे.
MG Cu50(Zr50−xNix) प्रणालीमध्ये, MG Cu50Zr20Ni30 मिश्रधातूचे उदाहरण घेतल्यास, एका तीव्र उष्णतादायी शिखराद्वारे fcc-ZrCu5, ऑर्थोरॉम्बिक-Zr7Cu10 आणि ऑर्थोरॉम्बिक-ZrNi या स्फटिकीय टप्प्यांमध्ये स्फटिकीकरण होते (आकृती 10c). DSC मध्ये 700 °C पर्यंत तापवलेल्या MG नमुन्याच्या XRD द्वारे या अस्फटिकी ते स्फटिकी टप्प्यातील संक्रमणाची पुष्टी झाली (आकृती 10d).
आकृती ११ मध्ये सध्याच्या कामात केलेल्या कोल्ड स्प्रे प्रक्रियेदरम्यान घेतलेली छायाचित्रे दाखवली आहेत. या अभ्यासात, ५० ​​तासांच्या एमए (MA) वेळेनंतर संश्लेषित केलेले मेटल ग्लास-लाइक पावडर कण (उदाहरण म्हणून Cu50Zr20Ni30) जीवाणूरोधक कच्चा माल म्हणून वापरले गेले आणि स्टेनलेस स्टील प्लेटवर (SUS304) कोल्ड स्प्रेइंग तंत्रज्ञानाने लेप दिला गेला. थर्मल स्प्रे तंत्रज्ञान मालिकेत लेपासाठी कोल्ड स्प्रे पद्धत निवडली गेली, कारण ती थर्मल स्प्रे मालिकेतील सर्वात कार्यक्षम पद्धत आहे आणि तिचा वापर धातूंच्या अस्थिर तापमान-संवेदनशील पदार्थांसाठी केला जाऊ शकतो, जसे की अस्फटिक आणि नॅनोक्रिस्टलाइन पावडर, ज्यांमध्ये अवस्थांतरण होत नाही. ही पद्धत निवडण्यामागे हे मुख्य कारण आहे. कोल्ड स्प्रे प्रक्रिया उच्च-गतीच्या कणांचा वापर करून केली जाते, जे सब्सट्रेट किंवा आधीच जमा केलेल्या कणांवर आदळल्यावर कणांच्या गतिज ऊर्जेचे रूपांतर प्लॅस्टिक विरूपण, ताण आणि उष्णतेमध्ये करतात.
क्षेत्रीय छायाचित्रांमध्ये 550 °C तापमानावर MG कोटिंग/SUS 304 च्या पाच सलग तयारींसाठी वापरलेली कोल्ड स्प्रे प्रक्रिया दर्शविली आहे.
कणांची गतिज ऊर्जा, आणि त्यामुळे लेप निर्मितीमधील प्रत्येक कणाचा संवेग, हा प्लॅस्टिक विरूपण (सुरुवातीचे कण आणि सब्सट्रेटमधील कण-कण आंतरक्रिया), पोकळीचे एकत्रीकरण, कण-कण परिभ्रमण, विकृती आणि अंतिमतः उष्णता ३९ यांसारख्या यंत्रणांद्वारे ऊर्जेच्या इतर स्वरूपांमध्ये रूपांतरित होणे आवश्यक आहे. शिवाय, जर येणारी सर्व गतिज ऊर्जा उष्णता आणि विकृती ऊर्जेमध्ये रूपांतरित झाली नाही, तर त्याचा परिणाम स्थितिस्थापक टक्कर (elastic collision) असतो, म्हणजेच आघातानंतर कण फक्त मागे उसळतात. असे निदर्शनास आले आहे की कण/सब्सट्रेट पदार्थावर लागू केलेल्या आघात ऊर्जेपैकी ९०% ऊर्जा स्थानिक उष्णतेमध्ये रूपांतरित होते ४०. शिवाय, जेव्हा आघात ताण (impact stress) लागू केला जातो, तेव्हा संपर्क कण/सब्सट्रेट क्षेत्रात अत्यंत कमी वेळात उच्च प्लॅस्टिक विकृती दर (plastic strain rates) प्राप्त होतात ४१,४२.
प्लास्टिक विरूपणाला सामान्यतः ऊर्जा क्षय होण्याची प्रक्रिया, किंवा अधिक स्पष्टपणे सांगायचे झाल्यास, आंतरपृष्ठीय प्रदेशातील उष्णतेचा स्रोत मानले जाते. तथापि, आंतरपृष्ठीय प्रदेशातील तापमानातील वाढ सहसा आंतरपृष्ठीय वितळण घडवून आणण्यासाठी किंवा अणूंच्या आंतरप्रसरणाला लक्षणीयरीत्या चालना देण्यासाठी पुरेशी नसते. कोल्ड स्प्रे पद्धती वापरताना होणाऱ्या पावडरच्या आसंजन आणि निक्षेपणावर या धात्विक काचमय पावडरच्या गुणधर्मांच्या परिणामाचा अभ्यास करणारे कोणतेही प्रकाशन लेखकांना ज्ञात नाही.
SUS 304 सबस्ट्रेटवर (आकृती ११, १२ब) लेपित 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, MG-लेपित पावडर मॅट्रिक्समध्ये समाविष्ट केलेल्या नॅनोकणांवरून (आकृती १२अ) सूचित केल्याप्रमाणे, प्रतिमा एका बाह्य टप्प्याची उपस्थिती दर्शवते. 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 Zr2Ni अस्थिर तसेच चतुष्कोणीय CuO टप्प्याशी संबंधित तीक्ष्ण ठिपक्यांसह सह-अस्तित्वात असतो. स्प्रे गनच्या नोझलपासून SUS पर्यंत प्रवास करताना पावडरच्या ऑक्सिडेशनमुळे CuO ची निर्मिती झाली असावी. 304 खुल्या हवेत सुपरसॉनिक प्रवाहाखाली. दुसरीकडे, 550 °C तापमानावर 30 मिनिटांसाठी कोल्ड स्प्रे ट्रीटमेंट केल्यानंतर मेटॅलिक ग्लासी पावडरच्या डिव्हिट्रिफिकेशनमुळे मोठ्या क्यूबिक फेजची निर्मिती झाली.
(a) (b) SUS 304 सबस्ट्रेटवर (आकृतीचा इनसेट) लेपित केलेल्या MG पावडरची FE-HRTEM प्रतिमा. (a) मध्ये दर्शविलेल्या गोलाकार चिन्हाचा NBDP निर्देशांक (c) मध्ये दर्शविला आहे.
मोठ्या घन Zr2Ni नॅनोकणांच्या निर्मितीच्या या संभाव्य यंत्रणेची पडताळणी करण्यासाठी, एक स्वतंत्र प्रयोग करण्यात आला. या प्रयोगात, पावडर ५५० °C तापमानावर स्प्रे गनमधून SUS 304 सबस्ट्रेटच्या दिशेने फवारण्यात आली; तथापि, पावडरच्या ॲनीलिंग परिणामाचे स्पष्टीकरण देण्यासाठी, ती SUS304 पट्टीवरून शक्य तितक्या लवकर (सुमारे ६० सेकंदात) काढण्यात आली. प्रयोगांचा आणखी एक संच करण्यात आला, ज्यामध्ये डिपॉझिशननंतर सुमारे १८० सेकंदांनी सबस्ट्रेटवरून पावडर काढण्यात आली.
आकृती १३अ,ब मध्ये, अनुक्रमे ६० सेकंद आणि १८० सेकंदांसाठी SUS 304 सबस्ट्रेटवर जमा केलेल्या दोन फवारलेल्या पदार्थांच्या स्कॅनिंग ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (STEM) द्वारे मिळवलेल्या डार्क फील्ड इमेजेस (DFI) दर्शविल्या आहेत. ६० सेकंदांसाठी जमा केलेल्या पावडरच्या प्रतिमेमध्ये कोणताही आकारिक तपशील नाही, ज्यामुळे ती वैशिष्ट्यहीन दिसते (आकृती १३अ). याची पुष्टी XRD द्वारे देखील झाली, ज्यावरून असे दिसून आले की या पावडरची सामान्य रचना अस्फटिक होती, जसे की आकृती १४अ मध्ये दर्शविलेल्या विस्तृत प्राथमिक आणि दुय्यम विवर्तन मॅक्सिमावरून सूचित होते. हे अस्थिर/मेसोफेज अवक्षेपणाच्या अनुपस्थितीचे द्योतक आहे, जिथे पावडर तिची मूळ अस्फटिक रचना टिकवून ठेवते. याउलट, त्याच तापमानावर (५५० °C) फवारलेली, परंतु सबस्ट्रेटवर १८० सेकंदांसाठी ठेवलेली पावडर, नॅनो-आकाराच्या कणांचे अवक्षेपण दर्शवते, जसे की आकृती १३ब मधील बाणांनी दर्शविले आहे.