Terima kasih kerana melayari Nature.com. Versi pelayar yang anda gunakan mempunyai sokongan CSS yang terhad. Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan anda menggunakan pelayar yang dikemas kini (atau mematikan mod keserasian dalam Internet Explorer). Sementara itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami akan memaparkan laman web tanpa gaya dan JavaScript.
Biofilm merupakan komponen penting dalam perkembangan jangkitan kronik, terutamanya apabila peranti perubatan terlibat. Masalah ini memberikan cabaran besar kepada komuniti perubatan, kerana antibiotik standard hanya boleh membasmi biofilm pada tahap yang sangat terhad. Mencegah pembentukan biofilm telah membawa kepada pembangunan pelbagai kaedah salutan dan bahan baharu. Kaedah ini bertujuan untuk menyalut permukaan dengan cara yang menghalang pembentukan biofilm. Aloi berkaca logam, terutamanya yang mengandungi logam kuprum dan titanium, telah muncul sebagai salutan antimikrob yang ideal. Pada masa yang sama, penggunaan teknologi semburan sejuk telah meningkat kerana ia merupakan kaedah yang sesuai untuk memproses bahan sensitif suhu. Sebahagian daripada tujuan kajian ini adalah untuk membangunkan kaca metalik filem antibakteria baharu yang terdiri daripada Cu-Zr-Ni ternari menggunakan teknik pengaloian mekanikal. Serbuk sfera yang membentuk produk akhir digunakan sebagai bahan mentah untuk salutan semburan sejuk permukaan keluli tahan karat pada suhu rendah. Substrat yang disalut dengan kaca metalik dapat mengurangkan pembentukan biofilm dengan ketara sekurang-kurangnya 1 log berbanding keluli tahan karat.
Sepanjang sejarah manusia, mana-mana masyarakat telah dapat mereka bentuk dan mempromosikan pengenalan bahan-bahan baharu yang memenuhi keperluan khususnya, yang telah menghasilkan prestasi dan kedudukan yang lebih baik dalam ekonomi global1. Ia sentiasa dikaitkan dengan keupayaan manusia untuk membangunkan bahan dan peralatan fabrikasi serta reka bentuk untuk fabrikasi dan pencirian bahan bagi mencapai kemajuan dalam kesihatan, pendidikan, industri, ekonomi, budaya dan bidang lain dari satu negara atau rantau ke negara lain. Kemajuan diukur tanpa mengira negara atau rantau.2 Selama 60 tahun, saintis bahan telah menumpukan banyak masa mereka untuk memberi tumpuan kepada satu kebimbangan utama: pencarian bahan baharu dan canggih. Penyelidikan terkini telah memberi tumpuan kepada peningkatan kualiti dan prestasi bahan sedia ada, serta mensintesis dan mencipta jenis bahan yang baharu sepenuhnya.
Penambahan unsur pengaloi, pengubahsuaian mikrostruktur bahan, dan aplikasi teknik pemprosesan terma, mekanikal atau termo-mekanikal telah menghasilkan penambahbaikan yang ketara dalam sifat mekanikal, kimia dan fizikal pelbagai bahan yang berbeza. Tambahan pula, sebatian yang belum pernah didengari sebelum ini telah berjaya disintesis pada ketika ini. Usaha berterusan ini telah melahirkan keluarga baharu bahan inovatif, yang secara kolektif dikenali sebagai Bahan Termaju2. Nanokristal, nanopartikel, nanotube, titik kuantum, kaca logam amorfus dimensi sifar, dan aloi entropi tinggi hanyalah beberapa contoh bahan termaju yang diperkenalkan ke dunia sejak pertengahan abad yang lalu. Apabila mengeluarkan dan membangunkan aloi baharu dengan sifat unggul, sama ada dalam produk akhir atau dalam peringkat pertengahan pengeluarannya, masalah ketidakseimbangan sering ditambah. Hasil daripada pelaksanaan teknik fabrikasi baharu yang menyimpang dengan ketara daripada keseimbangan, satu kelas baharu aloi metastabil, yang dikenali sebagai kaca logam, telah ditemui.
Kerjanya di Caltech pada tahun 1960 membawa revolusi dalam konsep aloi logam apabila beliau mensintesis aloi Au-25 berkaca pada suhu 0.5% Si dengan memejalkan cecair dengan cepat pada hampir sejuta darjah sesaat. 4. Peristiwa penemuan Profesor Pol Duwezs bukan sahaja menandakan permulaan sejarah kaca logam (MG), tetapi juga membawa kepada anjakan paradigma dalam cara orang berfikir tentang aloi logam. Sejak kajian perintis terawal dalam sintesis aloi MG, hampir semua kaca logam telah dihasilkan sepenuhnya dengan menggunakan salah satu kaedah berikut; (i) pemejalan cepat leburan atau wap, (ii) gangguan atom kekisi, (iii) tindak balas amorfisasi keadaan pepejal antara unsur logam tulen, dan (iv) peralihan keadaan pepejal fasa metastabil.
MG dibezakan oleh kekurangan susunan atom jarak jauh yang berkaitan dengan kristal, yang merupakan ciri khas kristal. Dalam dunia hari ini, kemajuan besar telah dicapai dalam bidang kaca logam. Ia merupakan bahan baharu dengan sifat menarik yang menarik bukan sahaja dalam fizik keadaan pepejal, tetapi juga dalam metalurgi, kimia permukaan, teknologi, biologi dan banyak bidang lain. Jenis bahan baharu ini mempamerkan sifat yang berbeza daripada logam pepejal, menjadikannya calon yang menarik untuk aplikasi teknologi dalam pelbagai bidang. Ia mempunyai beberapa sifat penting; (i) kemuluran mekanikal dan kekuatan alah yang tinggi, (ii) kebolehtelapan magnet yang tinggi, (iii) kekoersian yang rendah, (iv) rintangan kakisan yang luar biasa, (v) kebebasan suhu Kekonduksian 6,7.
Pengaloian mekanikal (MA)1,8 merupakan teknik yang agak baharu, pertama kali diperkenalkan pada tahun 1983 oleh Prof. CC Kock dan rakan-rakannya. Mereka menyediakan serbuk Ni60Nb40 amorfus dengan mengisar campuran unsur tulen pada suhu ambien yang sangat hampir dengan suhu bilik. Biasanya, tindak balas MA dijalankan antara gandingan resapan serbuk bahan reaktan dalam reaktor, biasanya diperbuat daripada keluli tahan karat ke dalam kilang bebola 10 (Rajah 1a, b). Sejak itu, teknik tindak balas keadaan pepejal teraruh secara mekanikal ini telah digunakan untuk menyediakan serbuk aloi kaca amorfus/logam baharu menggunakan kilang bebola bertenaga rendah (Rajah 1c) dan tinggi, serta kilang rod 11,12,13,14,15, 16. Khususnya, kaedah ini telah digunakan untuk menyediakan sistem tak campur seperti Cu-Ta17, serta aloi takat lebur tinggi seperti sistem logam peralihan Al (TM; Zr, Hf, Nb dan Ta) 18,19 dan Fe-W20, yang tidak dapat diperoleh menggunakan laluan penyediaan konvensional. Tambahan pula, MA dianggap sebagai salah satu alat nanoteknologi paling berkuasa untuk penyediaan zarah serbuk nanokristalin dan nanokomposit berskala perindustrian bagi oksida logam, karbida, nitrida, hidrida, nanotube karbon, nanoberlian, serta penstabilan luas melalui pendekatan atas ke bawah 1 dan peringkat metastabil.
Skematik menunjukkan kaedah fabrikasi yang digunakan untuk menyediakan salutan kaca logam (MG) Cu50(Zr50−xNix)/SUS 304 dalam kajian ini.(a) Penyediaan serbuk aloi MG dengan kepekatan Ni yang berbeza x (x; 10, 20, 30 dan 40 at.%) menggunakan teknik pengilangan bebola tenaga rendah.(a) Bahan permulaan dimuatkan ke dalam silinder alat bersama-sama dengan bebola keluli alat, dan (b) dimeteraikan dalam kotak sarung tangan yang diisi dengan atmosfera He.(c) Model lutsinar bekas pengisaran yang menggambarkan gerakan bebola semasa pengisaran. Produk akhir serbuk yang diperoleh selepas 50 jam digunakan untuk menyalut substrat SUS 304 menggunakan kaedah semburan sejuk (d).
Apabila melibatkan permukaan bahan pukal (substrat), kejuruteraan permukaan melibatkan reka bentuk dan pengubahsuaian permukaan (substrat) untuk memberikan kualiti fizikal, kimia dan teknikal tertentu yang tidak terkandung dalam bahan pukal asal. Beberapa sifat yang boleh diperbaiki secara berkesan melalui rawatan permukaan termasuk rintangan lelasan, rintangan pengoksidaan dan kakisan, pekali geseran, bio-inert, sifat elektrik dan penebat haba, antara lainnya. Kualiti permukaan boleh diperbaiki dengan menggunakan teknik metalurgi, mekanikal atau kimia. Sebagai proses yang terkenal, salutan secara ringkasnya ditakrifkan sebagai satu atau beberapa lapisan bahan yang dimendapkan secara buatan pada permukaan objek pukal (substrat) yang diperbuat daripada bahan lain. Oleh itu, salutan digunakan sebahagiannya untuk mencapai beberapa sifat teknikal atau hiasan yang diingini, serta untuk melindungi bahan daripada interaksi kimia dan fizikal yang dijangkakan dengan persekitaran sekitar23.
Untuk memendapkan lapisan perlindungan permukaan yang sesuai dengan ketebalan antara beberapa mikrometer (di bawah 10-20 mikrometer) hingga lebih 30 mikrometer atau beberapa milimeter, banyak kaedah dan teknik boleh digunakan. Secara amnya, proses salutan boleh dibahagikan kepada dua kategori: (i) kaedah salutan basah, termasuk penyaduran elektro, penyaduran tanpa elektro dan kaedah pegalvani celup panas, dan (ii) kaedah salutan kering, termasuk pematrian, permukaan, pemendapan wap fizikal (PVD), pemendapan wap kimia (CVD), teknik semburan haba dan yang lebih baru teknik semburan sejuk 24 (Rajah 1d).
Biofilm ditakrifkan sebagai komuniti mikrob yang melekat secara tidak boleh dipulihkan pada permukaan dan dikelilingi oleh polimer ekstraselular (EPS) yang dihasilkan sendiri. Pembentukan biofilm yang matang secara superfisial boleh menyebabkan kerugian yang ketara dalam banyak sektor perindustrian, termasuk industri makanan, sistem air dan persekitaran penjagaan kesihatan. Pada manusia, apabila biofilm terbentuk, lebih daripada 80% kes jangkitan mikrob (termasuk Enterobacteriaceae dan Staphylococci) sukar dirawat. Tambahan pula, biofilm matang telah dilaporkan 1000 kali ganda lebih tahan terhadap rawatan antibiotik berbanding sel bakteria planktonik, yang dianggap sebagai cabaran terapeutik utama. Bahan salutan permukaan antimikrob yang berasal dari sebatian organik konvensional telah digunakan secara sejarah. Walaupun bahan tersebut sering mengandungi komponen toksik yang berpotensi berisiko kepada manusia,25,26 ia boleh membantu mengelakkan penularan bakteria dan kemusnahan bahan.
Rintangan bakteria yang meluas terhadap rawatan antibiotik akibat pembentukan biofilm telah menyebabkan keperluan untuk membangunkan permukaan bersalut membran antimikrob yang berkesan yang boleh digunakan dengan selamat27. Pembangunan permukaan anti-lekat fizikal atau kimia yang menghalang sel bakteria daripada mengikat dan membina biofilm akibat lekatan adalah pendekatan pertama dalam proses ini27. Teknologi kedua adalah untuk membangunkan salutan yang membolehkan bahan kimia antimikrob dihantar tepat di tempat yang diperlukan, dalam jumlah yang sangat pekat dan disesuaikan. Ini dicapai dengan membangunkan bahan salutan unik seperti graphene/germanium28, berlian hitam29 dan salutan karbon seperti berlian yang didop ZnO30 yang tahan terhadap bakteria, teknologi yang memaksimumkan Ketoksikan dan pembangunan rintangan akibat pembentukan biofilm dikurangkan dengan ketara. Selain itu, salutan yang menggabungkan bahan kimia germisidal ke dalam permukaan untuk memberikan perlindungan jangka panjang daripada pencemaran bakteria semakin popular. Walaupun ketiga-tiga prosedur ini mampu menghasilkan kesan antimikrob pada permukaan bersalut, setiap satu mempunyai set batasannya sendiri yang harus dipertimbangkan semasa membangunkan strategi aplikasi.
Produk yang kini berada di pasaran terhalang oleh masa yang tidak mencukupi untuk menganalisis dan menguji salutan pelindung untuk bahan aktif secara biologi. Syarikat mendakwa bahawa produk mereka akan menyediakan pengguna dengan aspek fungsi yang diingini; Walau bagaimanapun, ini telah menjadi penghalang kepada kejayaan produk yang kini berada di pasaran. Sebatian yang berasal daripada perak digunakan dalam sebahagian besar terapi antimikrob yang kini tersedia untuk pengguna. Produk ini dibangunkan untuk melindungi pengguna daripada kesan mikroorganisma yang berpotensi berbahaya. Kesan antimikrob yang tertangguh dan ketoksikan sebatian perak yang berkaitan meningkatkan tekanan ke atas penyelidik untuk membangunkan alternatif yang kurang berbahaya36,37. Mencipta salutan antimikrob global yang berfungsi di dalam dan di luar rumah masih terbukti menjadi tugas yang sukar. Ini kerana risiko yang berkaitan dengan kesihatan dan keselamatan. Menemui agen antimikrob yang kurang berbahaya kepada manusia dan memikirkan cara memasukkannya ke dalam substrat salutan dengan jangka hayat yang lebih lama adalah matlamat yang sangat dicari38. Bahan antimikrob dan anti-biofilm terkini direka bentuk untuk membunuh bakteria pada jarak dekat, sama ada melalui sentuhan langsung atau selepas agen aktif dilepaskan. Ia boleh melakukan ini dengan menghalang lekatan bakteria awal (termasuk mengatasi pembentukan lapisan protein pada permukaan) atau dengan membunuh bakteria dengan mengganggu dinding sel.
Pada asasnya, salutan permukaan ialah proses meletakkan lapisan lain pada permukaan komponen untuk meningkatkan kualiti berkaitan permukaan. Matlamat salutan permukaan adalah untuk menyesuaikan mikrostruktur dan/atau komposisi kawasan berhampiran permukaan komponen. Teknik salutan permukaan boleh dibahagikan kepada kaedah yang berbeza, yang diringkaskan dalam Rajah 2a. Salutan boleh dibahagikan kepada kategori terma, kimia, fizikal dan elektrokimia, bergantung pada kaedah yang digunakan untuk mencipta salutan.
(a) Sisipan menunjukkan teknik fabrikasi utama yang digunakan untuk permukaan, dan (b) kelebihan dan kekurangan terpilih bagi teknik semburan sejuk.
Teknologi semburan sejuk mempunyai banyak persamaan dengan kaedah semburan haba konvensional. Walau bagaimanapun, terdapat juga beberapa sifat asas utama yang menjadikan proses semburan sejuk dan bahan semburan sejuk sangat unik. Teknologi semburan sejuk masih di peringkat awal, tetapi mempunyai masa depan yang cerah. Dalam aplikasi tertentu, sifat unik semburan sejuk menawarkan manfaat yang besar, mengatasi batasan yang wujud dalam kaedah semburan haba biasa. Ia menyediakan cara untuk mengatasi batasan ketara teknologi semburan haba tradisional, di mana serbuk mesti dicairkan untuk mendapan ke atas substrat. Jelas sekali, proses salutan tradisional ini tidak sesuai untuk bahan yang sangat sensitif suhu seperti nanokristal, nanopartikel, kaca amorfus dan logam40, 41, 42. Tambahan pula, bahan salutan semburan haba sentiasa mempamerkan tahap keliangan dan oksida yang tinggi. Teknologi semburan sejuk mempunyai banyak kelebihan ketara berbanding teknologi semburan haba, seperti (i) input haba minimum ke substrat, (ii) fleksibiliti dalam pilihan salutan substrat, (iii) ketiadaan transformasi fasa dan pertumbuhan butiran, (iv) kekuatan ikatan yang tinggi1,39 (Rajah 2b). Di samping itu, bahan salutan semburan sejuk mempunyai kakisan yang tinggi rintangan, kekuatan dan kekerasan yang tinggi, kekonduksian elektrik yang tinggi dan ketumpatan yang tinggi41. Bertentangan dengan kelebihan proses semburan sejuk, masih terdapat beberapa kelemahan dalam menggunakan teknik ini, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2b. Apabila menyalut serbuk seramik tulen seperti Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, dll., kaedah semburan sejuk tidak boleh digunakan. Sebaliknya, serbuk komposit seramik/logam boleh digunakan sebagai bahan mentah untuk salutan. Begitu juga dengan kaedah semburan haba yang lain. Permukaan yang rumit dan permukaan paip dalaman masih sukar untuk disembur.
Memandangkan kajian semasa bertujuan untuk menggunakan serbuk kaca logam sebagai bahan salutan mentah, adalah jelas bahawa penyemburan haba konvensional tidak boleh digunakan untuk tujuan ini. Ini kerana serbuk kaca logam menghablur pada suhu tinggi1.
Kebanyakan alat yang digunakan dalam industri perubatan dan makanan diperbuat daripada aloi keluli tahan karat austenit (SUS316 dan SUS304) dengan kandungan kromium antara 12 dan 20 wt% untuk pengeluaran instrumen pembedahan. Secara amnya diterima bahawa penggunaan logam kromium sebagai elemen pengaloi dalam aloi keluli boleh meningkatkan rintangan kakisan aloi keluli standard dengan ketara. Aloi keluli tahan karat, walaupun mempunyai rintangan kakisan yang tinggi, tidak menunjukkan sifat antimikrob yang ketara38,39. Ini berbeza dengan rintangan kakisannya yang tinggi. Selepas ini, perkembangan jangkitan dan keradangan boleh diramalkan, yang terutamanya disebabkan oleh lekatan dan penjajahan bakteria pada permukaan biobahan keluli tahan karat. Kesukaran yang ketara mungkin timbul disebabkan oleh kesukaran yang ketara yang berkaitan dengan lekatan bakteria dan laluan pembentukan biofilm, yang boleh menyebabkan kemerosotan kesihatan, yang mungkin mempunyai banyak akibat yang boleh menjejaskan kesihatan manusia secara langsung atau tidak langsung.
Kajian ini merupakan fasa pertama projek yang dibiayai oleh Yayasan Kuwait untuk Kemajuan Sains (KFAS), No. Kontrak 2010-550401, untuk mengkaji kemungkinan menghasilkan serbuk ternari Cu-Zr-Ni berkaca logam menggunakan teknologi MA (Jadual 1) untuk penghasilan lapisan perlindungan permukaan filem antibakteria/SUS304. Fasa kedua projek ini, yang dijadualkan bermula pada Januari 2023, akan mengkaji ciri-ciri kakisan elektrokimia dan sifat mekanikal sistem secara terperinci. Ujian mikrobiologi terperinci akan dijalankan untuk spesies bakteria yang berbeza.
Dalam kertas kerja ini, kesan kandungan unsur pengaloian Zr terhadap keupayaan pembentukan kaca (GFA) dibincangkan berdasarkan ciri-ciri morfologi dan struktur. Di samping itu, sifat antibakteria bagi komposit serbuk kaca logam bersalut/SUS304 juga dibincangkan. Tambahan pula, kerja semasa telah dijalankan untuk mengkaji kemungkinan transformasi struktur serbuk kaca logam berlaku semasa penyemburan sejuk dalam kawasan cecair subsejuk sistem kaca logam yang dibuat. Sebagai contoh yang representatif, aloi kaca logam Cu50Zr30Ni20 dan Cu50Zr20Ni30 telah digunakan dalam kajian ini.
Dalam bahagian ini, perubahan morfologi serbuk unsur Cu, Zr dan Ni dalam pengilangan bebola tenaga rendah dibentangkan. Sebagai contoh ilustrasi, dua sistem berbeza yang terdiri daripada Cu50Zr20Ni30 dan Cu50Zr40Ni10 akan digunakan sebagai contoh perwakilan. Proses MA boleh dibahagikan kepada tiga peringkat berbeza, seperti yang ditunjukkan oleh pencirian metalografi serbuk yang dihasilkan semasa peringkat pengisaran (Rajah 3).
Ciri-ciri metalografi serbuk aloi mekanikal (MA) yang diperoleh selepas peringkat masa pengilangan bebola yang berbeza. Imej mikroskopi elektron pengimbasan pancaran medan (FE-SEM) bagi serbuk MA dan Cu50Zr40Ni10 yang diperoleh selepas masa pengilangan bebola tenaga rendah iaitu 3, 12 dan 50 jam ditunjukkan dalam (a), (c) dan (e) untuk sistem Cu50Zr20Ni30, manakala dalam MA yang sama, imej sepadan bagi sistem Cu50Zr40Ni10 yang diambil selepas masa ditunjukkan dalam (b), (d) dan (f).
Semasa pengilangan bebola, tenaga kinetik berkesan yang boleh dipindahkan ke serbuk logam dipengaruhi oleh gabungan parameter, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1a. Ini termasuk perlanggaran antara bebola dan serbuk, ricih mampatan serbuk yang tersekat di antara atau antara media pengisaran, kesan bebola jatuh, ricih dan haus akibat seretan serbuk antara media pengilangan bebola bergerak, dan gelombang kejutan yang melalui bebola jatuh yang tersebar melalui beban tanaman (Rajah 1a). Serbuk unsur Cu, Zr, dan Ni telah berubah bentuk dengan teruk akibat kimpalan sejuk pada peringkat awal MA (3 jam), mengakibatkan zarah serbuk besar (diameter >1 mm). Zarah komposit besar ini dicirikan oleh pembentukan lapisan tebal unsur pengaloi (Cu, Zr, Ni), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3a,b. Peningkatan masa MA kepada 12 jam (peringkat pertengahan) mengakibatkan peningkatan tenaga kinetik kilang bebola, mengakibatkan penguraian serbuk komposit menjadi serbuk yang lebih halus (kurang daripada 200 µm), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3c,d. Pada peringkat ini, daya ricih yang dikenakan membawa kepada pembentukan permukaan logam baharu dengan lapisan petunjuk Cu, Zr, Ni yang halus, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3c,d. Hasil daripada penghalusan lapisan, tindak balas fasa pepejal berlaku pada antara muka kepingan untuk menghasilkan fasa baharu.
Pada kemuncak proses MA (selepas 50 jam), metalografi yang mengelupas hanya kelihatan samar-samar (Rajah 3e,f), tetapi permukaan serbuk yang digilap menunjukkan metalografi cermin. Ini bermakna proses MA telah selesai dan penciptaan fasa tindak balas tunggal telah berlaku. Komposisi unsur kawasan yang diindeks dalam Rajah 3e (I, II, III), f, v, vi) ditentukan dengan menggunakan mikroskop elektron pengimbasan pancaran medan (FE-SEM) yang digabungkan dengan spektroskopi sinar-X serakan tenaga (EDS) (IV).
Dalam Jadual 2, kepekatan unsur pengaloi ditunjukkan sebagai peratusan daripada jumlah berat setiap kawasan yang dipilih dalam Rajah 3e,f. Apabila membandingkan keputusan ini dengan komposisi nominal permulaan Cu50Zr20Ni30 dan Cu50Zr40Ni10 yang disenaraikan dalam Jadual 1, dapat dilihat bahawa komposisi kedua-dua produk akhir ini mempunyai nilai yang sangat serupa dengan komposisi nominal. Tambahan pula, nilai komponen relatif untuk kawasan yang disenaraikan dalam Rajah 3e,f tidak menunjukkan kemerosotan atau turun naik yang ketara dalam komposisi setiap sampel dari satu kawasan ke kawasan yang lain. Ini dibuktikan oleh fakta bahawa tiada perubahan komposisi dari satu kawasan ke kawasan yang lain. Ini menunjukkan penghasilan serbuk aloi homogen, seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 2.
Mikrograf FE-SEM bagi produk akhir serbuk Cu50(Zr50−xNix) telah diperoleh selepas 50 kali MA, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4a–d, di mana x ialah 10, 20, 30 dan 40 pada%. Selepas langkah penggilingan ini, serbuk akan mengagregat akibat kesan van der Waals, menghasilkan pembentukan agregat besar yang terdiri daripada zarah ultrahalus dengan diameter antara 73 hingga 126 nm, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4.
Ciri-ciri morfologi serbuk Cu50(Zr50−xNix) yang diperoleh selepas masa MA selama 50 jam. Bagi sistem Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, imej FE-SEM bagi serbuk yang diperoleh selepas 50 masa MA ditunjukkan dalam (a), (b), (c) dan (d), masing-masing.
Sebelum memasukkan serbuk ke dalam pengumpan semburan sejuk, ia terlebih dahulu disonikasi dalam etanol gred analitik selama 15 minit dan kemudian dikeringkan pada suhu 150°C selama 2 jam. Langkah ini mesti diambil untuk berjaya memerangi aglomerasi yang sering menyebabkan banyak masalah ketara sepanjang proses salutan. Selepas proses MA selesai, pencirian selanjutnya dijalankan untuk menyiasat homogeniti serbuk aloi. Rajah 5a–d menunjukkan mikrograf FE-SEM dan imej EDS yang sepadan bagi unsur pengaloian Cu, Zr dan Ni bagi aloi Cu50Zr30Ni20 yang diperoleh selepas 50 jam masa M, masing-masing. Perlu diingatkan bahawa serbuk aloi yang dihasilkan selepas langkah ini adalah homogen kerana ia tidak menunjukkan sebarang turun naik komposisi melebihi aras sub-nanometer, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5.
Morfologi dan taburan unsur tempatan serbuk MG Cu50Zr30Ni20 yang diperoleh selepas 50 kali MA melalui spektroskopi sinar-X serakan FE-SEM/tenaga (EDS).(a) Pemetaan SEM dan EDS sinar-X bagi (b) imej Cu-Kα, (c) Zr-Lα dan (d) Ni-Kα.
Corak XRD bagi serbuk Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 dan Cu50Zr20Ni30 yang dialoi secara mekanikal yang diperoleh selepas masa MA selama 50 jam ditunjukkan dalam Rajah 6a–d, masing-masing. Selepas peringkat penggilingan ini, semua sampel dengan kepekatan Zr yang berbeza menunjukkan struktur amorfus dengan corak resapan halo yang tersendiri yang ditunjukkan dalam Rajah 6.
Corak XRD bagi (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 dan (d) serbuk Cu50Zr20Ni30 selepas masa MA selama 50 jam. Semua sampel tanpa pengecualian menunjukkan corak resapan halo, yang menunjukkan pembentukan fasa amorfus.
Mikroskopi elektron penghantaran resolusi tinggi pancaran medan (FE-HRTEM) telah digunakan untuk memerhati perubahan struktur dan memahami struktur tempatan serbuk yang terhasil daripada pengilangan bebola pada masa MA yang berbeza. Imej FE-HRTEM bagi serbuk yang diperoleh selepas peringkat awal (6 jam) dan pertengahan (18 jam) pengilangan untuk serbuk Cu50Zr30Ni20 dan Cu50Zr40Ni10 masing-masing ditunjukkan dalam Rajah 7a,c. Menurut imej medan terang (BFI) serbuk yang dihasilkan selepas MA​​ 6 jam, serbuk tersebut terdiri daripada butiran besar dengan sempadan unsur fcc-Cu, hcp-Zr dan fcc-Ni yang jelas, dan tiada tanda bahawa fasa tindak balas telah terbentuk, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7a. Tambahan pula, corak pembelauan kawasan terpilih berkorelasi (SADP) yang diambil dari kawasan tengah (a) mendedahkan corak pembelauan cusp (Rajah 7b), menunjukkan kehadiran kristal besar dan ketiadaan fasa reaktif.
Pencirian struktur tempatan serbuk MA yang diperoleh selepas peringkat awal (6 jam) dan pertengahan (18 jam). (a) Mikroskopi elektron penghantaran resolusi tinggi pancaran medan (FE-HRTEM), dan (b) corak pembelauan kawasan terpilih (SADP) serbuk Cu50Zr30Ni20 selepas rawatan MA selama 6 jam. Imej FE-HRTEM bagi Cu50Zr40Ni10 yang diperoleh selepas masa MA selama 18 jam ditunjukkan dalam (c).
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7c, melanjutkan tempoh MA kepada 18 jam mengakibatkan kecacatan kekisi yang teruk digabungkan dengan ubah bentuk plastik. Semasa peringkat pertengahan proses MA ini, serbuk mempamerkan pelbagai kecacatan, termasuk kerosakan susunan, kecacatan kekisi dan kecacatan titik (Rajah 7). Kecacatan ini menyebabkan butiran besar berpecah di sepanjang sempadan butirannya menjadi subbutir dengan saiz kurang daripada 20 nm (Rajah 7c).
Struktur tempatan serbuk Cu50Z30Ni20 yang digiling selama 36 jam masa MA mempunyai pembentukan nanograin ultrahalus yang terbenam dalam matriks halus amorfus, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8a. Analisis EDS tempatan menunjukkan bahawa gugusan nano yang ditunjukkan dalam Rajah 8a dikaitkan dengan unsur pengaloian serbuk Cu, Zr dan Ni yang tidak diproses. Pada masa yang sama, kandungan Cu dalam matriks berubah-ubah dari ~32 at.% (luas tanpa lemak) hingga ~74 at.% (luas kaya), menunjukkan pembentukan produk heterogen. Tambahan pula, SADP sepadan bagi serbuk yang diperoleh selepas pengisaran pada peringkat ini menunjukkan cincin primer dan sekunder yang meresap halo bagi fasa amorfus, bertindih dengan titik tajam yang dikaitkan dengan unsur pengaloian mentah tersebut, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8b.
Melangkaui ciri struktur tempatan skala nano serbuk 36 h-Cu50Zr30Ni20.(a) Imej medan terang (BFI) dan (b) SADP serbuk Cu50Zr30Ni20 yang sepadan yang diperoleh selepas pengisaran selama 36 jam masa MA.
Menjelang akhir proses MA (50 jam), serbuk Cu50(Zr50−xNix), X; 10, 20, 30 dan 40 at.% sentiasa mempunyai morfologi fasa amorfus labirin seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 9a–d. Dalam SADP yang sepadan bagi setiap komposisi, pembelauan seperti titik mahupun corak anulus yang tajam tidak dapat dikesan. Ini menunjukkan bahawa tiada logam kristal yang tidak diproses hadir, sebaliknya serbuk aloi amorfus terbentuk. SADP berkorelasi ini yang menunjukkan corak resapan halo juga digunakan sebagai bukti untuk perkembangan fasa amorfus dalam bahan produk akhir.
Struktur setempat produk akhir sistem MG Cu50 (Zr50−xNix). FE-HRTEM dan corak pembelauan nanobeam berkorelasi (NBDP) bagi (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 dan (d) Cu50Zr10Ni40 yang diperoleh selepas 50 jam MA.
Kestabilan terma suhu peralihan kaca (Tg), kawasan cecair subsejuk (ΔTx) dan suhu penghabluran (Tx) sebagai fungsi kandungan Ni (x) sistem Cu50(Zr50−xNix) amorfus telah dikaji menggunakan Kalorimetri pengimbasan pembezaan (DSC) bagi sifat-sifat di bawah aliran gas He. Jejak DSC bagi serbuk aloi amorfus Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 dan Cu50Zr10Ni40 yang diperoleh selepas masa MA selama 50 jam masing-masing ditunjukkan dalam Rajah 10a, b, e. Manakala lengkung DSC bagi Cu50Zr20Ni30 amorfus ditunjukkan secara berasingan dalam Rajah 10c. Sementara itu, sampel Cu50Zr30Ni20 yang dipanaskan kepada ~700 °C dalam DSC ditunjukkan dalam Rajah 10d.
Kestabilan terma serbuk Cu50(Zr50−xNix) MG yang diperoleh selepas masa MA selama 50 jam, seperti yang diindeks oleh suhu peralihan kaca (Tg), suhu penghabluran (Tx), dan kawasan cecair subsejuk (ΔTx). Termogram kalorimeter pengimbasan pembezaan (DSC) bagi (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 dan (e) serbuk aloi Cu50Zr10Ni40 MG selepas masa MA selama 50 jam. Corak pembelauan sinar-X (XRD) sampel Cu50Zr30Ni20 yang dipanaskan hingga ~700 °C dalam DSC ditunjukkan dalam (d).
Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 10, lengkung DSC bagi semua komposisi dengan kepekatan Ni yang berbeza (x) menunjukkan dua kes berbeza, satu endotermik dan satu lagi eksotermik. Peristiwa endotermik pertama sepadan dengan Tg, manakala yang kedua berkaitan dengan Tx. Kawasan rentang mendatar yang wujud di antara Tg dan Tx dipanggil kawasan cecair subsejuk (ΔTx = Tx – Tg). Keputusan menunjukkan bahawa Tg dan Tx bagi sampel Cu50Zr40Ni10 (Rajah 10a), diletakkan pada 526°C dan 612°C, mengalihkan kandungan (x) kepada 20 at.% ke arah sisi suhu rendah 482°C dan 563°C dengan peningkatan kandungan Ni (x), masing-masing, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 10b. Akibatnya, ΔTx bagi Cu50Zr40Ni10 berkurangan daripada 86 °C (Rajah 10a) kepada 81 °C untuk Cu50Zr30Ni20 (Rajah 1). 10b). Bagi aloi MG Cu50Zr40Ni10, juga diperhatikan bahawa nilai Tg, Tx dan ΔTx menurun kepada tahap 447°C, 526°C dan 79°C (Rajah 10b). Ini menunjukkan bahawa peningkatan kandungan Ni membawa kepada penurunan kestabilan terma aloi MG. Sebaliknya, nilai Tg (507 °C) aloi MG Cu50Zr20Ni30 adalah lebih rendah daripada aloi MG Cu50Zr40Ni10; walau bagaimanapun, Txnya menunjukkan nilai yang setanding dengan yang sebelumnya (612 °C). Oleh itu, ΔTx mempamerkan nilai yang lebih tinggi (87°C), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 10c.
Sistem MG Cu50(Zr50−xNix), dengan mengambil aloi MG Cu50Zr20Ni30 sebagai contoh, menghablur melalui puncak eksotermik yang tajam ke dalam fasa kristal fcc-ZrCu5, ortorombik-Zr7Cu10 dan ortorombik-ZrNi (Rajah 10c). Peralihan fasa amorfus kepada kristal ini telah disahkan oleh XRD sampel MG (Rajah 10d), yang dipanaskan hingga 700 °C dalam DSC.
Rajah 11 menunjukkan gambar yang diambil semasa proses semburan sejuk yang dijalankan dalam kajian semasa. Dalam kajian ini, zarah serbuk seperti kaca logam yang disintesis selepas masa MA selama 50 jam (mengambil Cu50Zr20Ni30 sebagai contoh) telah digunakan sebagai bahan mentah antibakteria, dan plat keluli tahan karat (SUS304) telah disalut dengan teknologi semburan sejuk. Kaedah semburan sejuk telah dipilih untuk salutan dalam siri teknologi semburan haba kerana ia merupakan kaedah yang paling cekap dalam siri semburan haba dan boleh digunakan untuk bahan logam yang sensitif terhadap suhu metastabil seperti serbuk amorfus dan nanokristalin, yang tidak tertakluk kepada peralihan fasa. Ini merupakan faktor utama dalam memilih kaedah ini. Proses semburan sejuk dijalankan dengan menggunakan zarah berkelajuan tinggi yang menukar tenaga kinetik zarah kepada ubah bentuk plastik, terikan dan haba apabila terkena substrat atau zarah yang telah dimendapkan sebelum ini.
Foto lapangan menunjukkan prosedur semburan sejuk yang digunakan untuk lima penyediaan salutan MG/SUS 304 berturut-turut pada suhu 550 °C.
Tenaga kinetik zarah, dan dengan itu momentum setiap zarah dalam pembentukan salutan, mesti ditukar kepada bentuk tenaga lain melalui mekanisme seperti ubah bentuk plastik (interaksi zarah awal dan zarah-zarah dalam interaksi substrat dan zarah), pengukuhan lompang, putaran zarah-zarah, regangan dan akhirnya haba 39. Tambahan pula, jika tidak semua tenaga kinetik yang masuk ditukar kepada tenaga haba dan regangan, hasilnya adalah perlanggaran elastik, yang bermaksud zarah-zarah tersebut hanya melantun semula selepas hentaman. Telah ditunjukkan bahawa 90% daripada tenaga hentaman yang dikenakan pada bahan zarah/substrat ditukar kepada haba setempat 40. Tambahan pula, apabila tegasan hentaman dikenakan, kadar regangan plastik yang tinggi dicapai di kawasan zarah/substrat sentuhan dalam masa yang sangat singkat 41,42.
Ubah bentuk plastik secara amnya dianggap sebagai proses pelesapan tenaga, atau lebih khusus lagi, sumber haba di kawasan antara muka. Walau bagaimanapun, peningkatan suhu di kawasan antara muka biasanya tidak mencukupi untuk menghasilkan pencairan antara muka atau untuk menggalakkan resapan antara atom dengan ketara. Tiada penerbitan yang diketahui oleh penulis yang menyiasat kesan sifat-sifat serbuk kaca logam ini terhadap lekatan dan pemendapan serbuk yang berlaku apabila kaedah semburan sejuk digunakan.
BFI serbuk aloi MG Cu50Zr20Ni30 boleh dilihat dalam Rajah 12a, yang disalut pada substrat SUS 304 (Rajah 11, 12b). Seperti yang dapat dilihat daripada rajah tersebut, serbuk bersalut mengekalkan struktur amorfus asalnya kerana ia mempunyai struktur labirin yang halus tanpa sebarang ciri kristal atau kecacatan kekisi. Sebaliknya, imej menunjukkan kehadiran fasa luaran, seperti yang dicadangkan oleh nanopartikel yang digabungkan ke dalam matriks serbuk bersalut MG (Rajah 12a). Rajah 12c menggambarkan corak pembelauan nanobeam berindeks (NBDP) yang dikaitkan dengan kawasan I (Rajah 12a). Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 12c, NBDP mempamerkan corak resapan halo yang lemah bagi struktur amorfus dan wujud bersama dengan tompok tajam yang sepadan dengan fasa metastabil Zr2Ni kubik besar kristal ditambah fasa CuO tetragonal. Pembentukan CuO mungkin disebabkan oleh pengoksidaan serbuk apabila bergerak dari muncung pistol semburan ke SUS 304 dalam udara terbuka di bawah aliran supersonik. Sebaliknya, devitrifikasi serbuk kaca logam mencapai pembentukan fasa kubik yang besar selepas rawatan semburan sejuk pada 550 °C selama 30 minit.
(a) Imej FE-HRTEM serbuk MG yang disalut pada (b) substrat SUS 304 (sisipan rajah). Indeks NBDP bagi simbol bulat yang ditunjukkan dalam (a) ditunjukkan dalam (c).
Untuk mengesahkan mekanisme berpotensi ini untuk pembentukan nanopartikel Zr2Ni kubik yang besar, satu eksperimen bebas telah dijalankan. Dalam eksperimen ini, serbuk disembur dari pistol semburan pada suhu 550 °C ke arah substrat SUS 304; walau bagaimanapun, untuk menjelaskan kesan penyepuhlindapan serbuk, ia telah dikeluarkan dari jalur SUS304 secepat mungkin (kira-kira 60 saat). Satu lagi set eksperimen telah dijalankan di mana serbuk telah dikeluarkan dari substrat kira-kira 180 saat selepas pemendapan.
Rajah 13a,b menunjukkan imej medan gelap (DFI) yang diperoleh melalui mikroskopi elektron penghantaran pengimbasan (STEM) bagi dua bahan yang disembur yang dimendapkan pada substrat SUS 304 selama 60 saat dan 180 saat, masing-masing. Imej serbuk yang dimendapkan selama 60 saat tidak mempunyai perincian morfologi, menunjukkan ketiadaan ciri (Rajah 13a). Ini juga disahkan oleh XRD, yang menunjukkan bahawa struktur umum serbuk ini adalah amorfus, seperti yang ditunjukkan oleh maksima pembelauan primer dan sekunder yang luas yang ditunjukkan dalam Rajah 14a. Ini menunjukkan ketiadaan pemendakan metastabil/mesofasa, di mana serbuk mengekalkan struktur amorfus asalnya. Sebaliknya, serbuk yang disembur pada suhu yang sama (550 °C), tetapi dibiarkan pada substrat selama 180 saat, menunjukkan pemendakan butiran bersaiz nano, seperti yang ditunjukkan oleh anak panah dalam Rajah 13b.