Faleminderit që vizituat Nature.com. Versioni i shfletuesit që po përdorni ka mbështetje të kufizuar CSS. Për përvojën më të mirë, ne ju rekomandojmë të përdorni një shfletues të përditësuar (ose të çaktivizoni Modalitetin e Përputhshmërisë në Internet Explorer). Ndërkohë, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, ne do ta paraqesim faqen pa stile dhe JavaScript.
Biofilmet janë një komponent i rëndësishëm në zhvillimin e infeksioneve kronike, veçanërisht kur bëhet fjalë për pajisjet mjekësore. Ky problem paraqet një sfidë të madhe për komunitetin mjekësor, pasi antibiotikët standardë mund t'i shkatërrojnë biofilmet vetëm në një masë shumë të kufizuar. Parandalimi i formimit të biofilmit ka çuar në zhvillimin e metodave të ndryshme të veshjes dhe materialeve të reja. Këto teknika synojnë të veshin sipërfaqet në një mënyrë që parandalon formimin e biofilmit. Aliazhet e metaleve qelqore, veçanërisht ato që përmbajnë metale bakri dhe titaniumi, janë bërë veshje ideale antimikrobike. Në të njëjtën kohë, përdorimi i teknologjisë së spërkatjes së ftohtë është rritur pasi është një metodë e përshtatshme për përpunimin e materialeve të ndjeshme ndaj temperaturës. Një pjesë e qëllimit të këtij hulumtimi ishte të zhvillohej një xham metalik i ri antibakterial i përbërë nga Cu-Zr-Ni ternar duke përdorur teknika mekanike të aliazhimit. Pluhuri sferik që përbën produktin përfundimtar përdoret si lëndë e parë për spërkatjen e ftohtë të sipërfaqeve të çelikut inox në temperatura të ulëta. Substratet e veshura me xham metalik ishin në gjendje të zvogëlonin ndjeshëm formimin e biofilmit me të paktën 1 log krahasuar me çelikun inox.
Gjatë gjithë historisë njerëzore, çdo shoqëri ka qenë në gjendje të zhvillojë dhe promovojë futjen e materialeve të reja për të përmbushur kërkesat e saj specifike, duke rezultuar në rritjen e produktivitetit dhe renditjes në një ekonomi të globalizuar1. Kjo gjithmonë i është atribuar aftësisë njerëzore për të projektuar materiale dhe pajisje prodhimi, si dhe projekteve për të prodhuar dhe karakterizuar materiale për të arritur shëndetësi, arsim, industri, ekonomi, kulturë dhe fusha të tjera nga një vend ose rajon në tjetrin. Progresi matet pavarësisht vendit ose rajonit2. Për 60 vjet, shkencëtarët e materialeve i kanë kushtuar shumë kohë një detyre kryesore: kërkimit të materialeve të reja dhe të përparuara. Hulumtimet e fundit janë përqendruar në përmirësimin e cilësisë dhe performancës së materialeve ekzistuese, si dhe në sintetizimin dhe shpikjen e llojeve krejtësisht të reja të materialeve.
Shtimi i elementëve aliazhues, modifikimi i mikrostrukturës së materialit dhe zbatimi i metodave të trajtimit termik, mekanik ose termomekanik kanë çuar në një përmirësim të ndjeshëm të vetive mekanike, kimike dhe fizike të materialeve të ndryshme. Përveç kësaj, janë sintetizuar me sukses komponime të panjohura deri më tani. Këto përpjekje të vazhdueshme kanë dhënë jetë një familjeje të re materialesh inovative të njohura kolektivisht si Materiale të Avancuara2. Nanokristalet, nanopjesëzat, nanotubat, pikat kuantike, xhamat metalikë amorfë zero-dimensionalë dhe aliazhet me entropi të lartë janë vetëm disa shembuj të materialeve të përparuara që janë shfaqur në botë që nga mesi i shekullit të kaluar. Në prodhimin dhe zhvillimin e aliazheve të reja me veti të përmirësuara, si në produktin përfundimtar ashtu edhe në fazat e ndërmjetme të prodhimit të tij, shpesh shtohet problemi i çekuilibrit. Si rezultat i futjes së teknikave të reja të prodhimit që lejojnë devijime të konsiderueshme nga ekuilibri, është zbuluar një klasë krejt e re e aliazheve metastabile, të njohura si xhama metalikë.
Puna e tij në Caltech në vitin 1960 revolucionarizoi konceptin e lidhjeve metalike kur ai sintetizoi lidhjet qelqore Au-25 at.% Si duke i ngurtësuar shpejt lëngjet me gati një milion gradë në sekondë. 4 Zbulimi i Profesor Paul Duves jo vetëm që shënoi fillimin e historisë së qelqit metalik (MS), por gjithashtu çoi në një ndryshim paradigme në mënyrën se si njerëzit mendojnë për lidhjet metalike. Që nga hulumtimi i parë pionier në sintezën e lidhjeve MS, pothuajse të gjitha qelqit metalik janë përftuar plotësisht duke përdorur njërën nga metodat e mëposhtme: (i) ngurtësim i shpejtë i shkrirjes ose avullit, (ii) çrregullimi i rrjetës atomike, (iii) reaksionet e amorfizimit në gjendje të ngurtë midis elementëve metalikë të pastër dhe (iv) tranzicionet e fazës së ngurtë të fazave metastabile.
MG-të dallohen nga mungesa e rendit atomik me rreze të gjatë të shoqëruar me kristalet, i cili është një karakteristikë përcaktuese e kristaleve. Në botën moderne, është bërë përparim i madh në fushën e qelqit metalik. Këto janë materiale të reja me veti interesante që janë me interes jo vetëm për fizikën e gjendjes së ngurtë, por edhe për metalurgjinë, kiminë sipërfaqësore, teknologjinë, biologjinë dhe shumë fusha të tjera. Ky lloj i ri materiali ka veti që janë të ndryshme nga metalet e forta, duke e bërë atë një kandidat interesant për aplikime teknologjike në një sërë fushash. Ato kanë disa veti të rëndësishme: (i) duktilitet dhe kufi të lartë të rrjedhshmërisë mekanike, (ii) përshkueshmëri të lartë magnetike, (iii) koercitivitet të ulët, (iv) rezistencë të pazakontë ndaj korrozionit, (v) pavarësi nga temperatura. Përçueshmëria 6.7.
Lidhja mekanike (MA)1,8 është një metodë relativisht e re, e prezantuar për herë të parë në vitin 19839 nga Prof. KK Kok dhe kolegët e tij. Ata prodhuan pluhura amorfe Ni60Nb40 duke bluar një përzierje elementësh të pastër në temperaturë ambienti shumë afër temperaturës së dhomës. Në mënyrë tipike, reaksioni MA kryhet midis lidhjes difuzive të pluhurave reaktantë në një reaktor, zakonisht të bërë prej çeliku inox, në një mulli me sfera.10 (Fig. 1a, b). Që atëherë, kjo metodë e reagimit në gjendje të ngurtë e induktuar mekanikisht është përdorur për të përgatitur pluhura të reja amorfe/metalike të aliazheve të qelqit duke përdorur mulli me sfera me energji të ulët (Fig. 1c) dhe të lartë dhe mulli me shufra11,12,13,14,15,16. Në veçanti, kjo metodë është përdorur për të përgatitur sisteme të papërzieshme si Cu-Ta17, si dhe aliazhe me pikë të lartë shkrirjeje si sistemet Al-metal tranzicioni (TM, Zr, Hf, Nb dhe Ta)18,19 dhe Fe-W20. , të cilat nuk mund të merren duke përdorur metoda konvencionale gatimi. Përveç kësaj, MA konsiderohet si një nga mjetet më të fuqishme nanoteknologjike për prodhimin në shkallë industriale të grimcave pluhur nanokristaline dhe nanokompozite të oksideve metalike, karbideve, nitriteve, hidrideve, nanotubave të karbonit, nanodiamanteve, si dhe stabilizimin e gjerë duke përdorur një qasje nga lart-poshtë. 1 dhe fazat metastabile.
Skema që tregon metodën e fabrikimit të përdorur për të përgatitur veshjen e qelqit metalik Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 në këtë studim. (a) Përgatitja e pluhurave të aliazhit MC me përqendrime të ndryshme të Ni x (x; 10, 20, 30 dhe 40 at.%) duke përdorur metodën e bluarjes me topa me energji të ulët. (a) Materiali fillestar ngarkohet në një cilindër veglash së bashku me topat e çelikut të veglave dhe (b) vuloset në një kuti dorezash të mbushur me atmosferë He. (c) Model transparent i enës së bluarjes që ilustron lëvizjen e topit gjatë bluarjes. Produkti përfundimtar pluhur i marrë pas 50 orësh u përdor për të lyer me spërkatje të ftohtë substratin SUS 304 (d).
Kur bëhet fjalë për sipërfaqet e materialeve të mëdha (substratet), inxhinieria sipërfaqësore përfshin projektimin dhe modifikimin e sipërfaqeve (substrateve) për të siguruar veti të caktuara fizike, kimike dhe teknike që nuk janë të pranishme në materialin origjinal të madh. Disa nga vetitë që mund të përmirësohen në mënyrë efektive përmes trajtimit sipërfaqësor përfshijnë rezistencën ndaj gërryerjes, oksidimit dhe korrozionit, koeficientin e fërkimit, bioinertësinë, vetitë elektrike dhe izolimin termik, vetëm për të përmendur disa. Cilësia e sipërfaqes mund të përmirësohet me anë të metodave metalurgjike, mekanike ose kimike. Si një proces i njohur mirë, veshja përkufizohet thjesht si një ose më shumë shtresa materiali të aplikuara artificialisht në sipërfaqen e një objekti të madh (substrati) të bërë nga një material tjetër. Kështu, veshjet përdoren pjesërisht për të arritur vetitë e dëshiruara teknike ose dekorative, si dhe për të mbrojtur materialet nga ndërveprimet e pritura kimike dhe fizike me mjedisin23.
Një sërë metodash dhe teknikash mund të përdoren për të aplikuar shtresa të përshtatshme mbrojtëse nga disa mikrometra (nën 10-20 mikrometra) deri në më shumë se 30 mikrometra ose edhe disa milimetra në trashësi. Në përgjithësi, proceset e veshjes mund të ndahen në dy kategori: (i) metodat e veshjes me lagështi, duke përfshirë elektrogalvanizimin, elektrogalvanizimin dhe galvanizimin me zhytje të nxehtë, dhe (ii) metodat e veshjes me thatë, duke përfshirë saldimin, ngjitjen e fortë, depozitimin fizik të avullit (PVD). ), depozitimin kimik të avullit (CVD), teknikat e spërkatjes termike dhe, më së fundmi, teknikat e spërkatjes me të ftohtë 24 (Figura 1d).
Biofilmet përkufizohen si bashkësi mikrobike që janë të lidhura në mënyrë të pakthyeshme me sipërfaqet dhe të rrethuara nga polimere jashtëqelizore të prodhuara vetë (EPS). Formimi i një biofilmi sipërfaqësisht të pjekur mund të çojë në humbje të konsiderueshme në shumë industri, duke përfshirë përpunimin e ushqimit, sistemet e ujit dhe kujdesin shëndetësor. Tek njerëzit, me formimin e biofilmeve, më shumë se 80% e rasteve të infeksioneve mikrobike (duke përfshirë Enterobacteriaceae dhe Staphylococci) janë të vështira për t'u trajtuar. Përveç kësaj, biofilmet e pjekura janë raportuar të jenë 1000 herë më rezistente ndaj trajtimit me antibiotikë krahasuar me qelizat bakteriale planktonike, gjë që konsiderohet një sfidë e madhe terapeutike. Historikisht, janë përdorur materiale veshjeje sipërfaqësore antimikrobike të nxjerra nga komponimet e zakonshme organike. Edhe pse materiale të tilla shpesh përmbajnë komponentë toksikë potencialisht të dëmshëm për njerëzit,25,26 kjo mund të ndihmojë në shmangien e transmetimit bakterial dhe degradimit të materialit.
Rezistenca e përhapur bakteriale ndaj trajtimit me antibiotikë për shkak të formimit të biofilmit ka çuar në nevojën për të zhvilluar një sipërfaqe efektive të veshur me membranë antimikrobike që mund të aplikohet në mënyrë të sigurt27. Zhvillimi i një sipërfaqeje fizike ose kimike anti-ngjitëse, në të cilën qelizat bakteriale nuk mund të lidhen dhe të formojnë biofilme për shkak të ngjitjes, është qasja e parë në këtë proces27. Teknologjia e dytë është të zhvillohen veshje që ofrojnë kimikate antimikrobike pikërisht aty ku nevojiten, në sasi shumë të përqendruara dhe të përshtatura. Kjo arrihet përmes zhvillimit të materialeve unike të veshjes si grafeni/germaniumi28, diamanti i zi29 dhe veshjet e karbonit të ngjashme me diamant të dopuara me ZnO30 që janë rezistente ndaj baktereve, një teknologji që maksimizon zhvillimin e toksicitetit dhe rezistencës për shkak të formimit të biofilmit. Përveç kësaj, veshjet që përmbajnë kimikate germicide që ofrojnë mbrojtje afatgjatë kundër kontaminimit bakterial po bëhen gjithnjë e më popullore. Ndërsa të tre procedurat janë të afta të ushtrojnë aktivitet antimikrobik në sipërfaqet e veshura, secila ka grupin e vet të kufizimeve që duhet të merren në konsideratë kur zhvillohet një strategji aplikimi.
Produktet që janë aktualisht në treg pengohen nga mungesa e kohës për të analizuar dhe testuar veshjet mbrojtëse për përbërësit biologjikisht aktivë. Kompanitë pretendojnë se produktet e tyre do t'u ofrojnë përdoruesve aspektet funksionale të dëshiruara, megjithatë, kjo është bërë një pengesë për suksesin e produkteve që janë aktualisht në treg. Komponimet e nxjerra nga argjendi përdoren në shumicën dërrmuese të antimikrobikëve që janë aktualisht në dispozicion të konsumatorëve. Këto produkte janë të dizajnuara për të mbrojtur përdoruesit nga ekspozimi potencialisht i dëmshëm ndaj mikroorganizmave. Efekti i vonuar antimikrobik dhe toksiciteti i lidhur me komponimet e argjendit rrisin presionin mbi studiuesit për të zhvilluar një alternativë më pak të dëmshme36,37. Krijimi i një veshjeje globale antimikrobike që funksionon brenda dhe jashtë mbetet një sfidë. Kjo vjen me rreziqe të lidhura me shëndetin dhe sigurinë. Zbulimi i një agjenti antimikrobik që është më pak i dëmshëm për njerëzit dhe të kuptuarit se si ta përfshijmë atë në substratet e veshjes me një afat më të gjatë ruajtjeje është një qëllim shumë i kërkuar38. Materialet më të fundit antimikrobike dhe antibiofilmike janë të dizajnuara për të vrarë bakteret në distancë të afërt ose me kontakt të drejtpërdrejtë ose pas lëshimit të agjentit aktiv. Ato mund ta bëjnë këtë duke penguar ngjitjen fillestare bakteriale (duke përfshirë parandalimin e formimit të një shtrese proteine ​​në sipërfaqe) ose duke vrarë bakteret duke ndërhyrë në murin qelizor.
Në thelb, veshja sipërfaqësore është procesi i aplikimit të një shtrese tjetër në sipërfaqen e një komponenti për të përmirësuar karakteristikat e sipërfaqes. Qëllimi i një veshjeje sipërfaqësore është të ndryshojë mikrostrukturën dhe/ose përbërjen e rajonit afër sipërfaqes së një komponenti39. Metodat e veshjes sipërfaqësore mund të ndahen në metoda të ndryshme, të cilat janë përmbledhur në Fig. 2a. Veshjet mund të ndahen në kategori termike, kimike, fizike dhe elektrokimike në varësi të metodës së përdorur për të krijuar veshjen.
(a) Një fotografi e brendshme që tregon teknikat kryesore të fabrikimit të sipërfaqes, dhe (b) avantazhet dhe disavantazhet e zgjedhura të metodës së spërkatjes së ftohtë.
Teknologjia e spërkatjes me të ftohtë ka shumë të përbashkëta me teknikat tradicionale të spërkatjes termike. Megjithatë, ekzistojnë edhe disa veti themelore kyçe që e bëjnë procesin e spërkatjes me të ftohtë dhe materialet e spërkatjes me të ftohtë veçanërisht unike. Teknologjia e spërkatjes me të ftohtë është ende në hapat e saj të parë, por ka një të ardhme të shkëlqyer. Në disa raste, vetitë unike të spërkatjes me të ftohtë ofrojnë përfitime të mëdha, duke kapërcyer kufizimet e teknikave konvencionale të spërkatjes termike. Ajo kapërcen kufizimet e rëndësishme të teknologjisë tradicionale të spërkatjes termike, në të cilën pluhuri duhet të shkrihet për t'u depozituar në një substrat. Natyrisht, ky proces tradicional i veshjes nuk është i përshtatshëm për materiale shumë të ndjeshme ndaj temperaturës, siç janë nanokristalet, nanopjesëzat, xhamat amorfë dhe metalikë40, 41, 42. Përveç kësaj, materialet e veshjes me spërkatje termike gjithmonë kanë një nivel të lartë poroziteti dhe oksidesh. Teknologjia e spërkatjes me të ftohtë ka shumë përparësi të rëndësishme ndaj teknologjisë së spërkatjes termike, të tilla si (i) hyrja minimale e nxehtësisë në substrat, (ii) fleksibiliteti në zgjedhjen e veshjes së substratit, (iii) mungesa e transformimit të fazës dhe rritjes së kokrrizave, (iv) forca e lartë ngjitëse1 .39 (Fig. 2b). Përveç kësaj, materialet e veshjes me spërkatje të ftohtë kanë rezistencë të lartë ndaj korrozionit, forcë dhe fortësi të lartë, përçueshmëri të lartë elektrike dhe dendësi të lartë41. Pavarësisht avantazheve të procesit të spërkatjes së ftohtë, kjo metodë ka ende disa të meta, siç tregohet në Figurën 2b. Kur veshen pluhura qeramike të pastra si Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, etj., metoda e spërkatjes së ftohtë nuk mund të përdoret. Nga ana tjetër, pluhurat kompozitë qeramike/metalike mund të përdoren si lëndë të para për veshje. E njëjta gjë vlen edhe për metodat e tjera të spërkatjes termike. Sipërfaqet e vështira dhe brendësia e tubave janë ende të vështira për t'u spërkatur.
Duke marrë parasysh që puna aktuale drejtohet në përdorimin e pluhurave metalike të qelqit si materiale fillestare për veshje, është e qartë se spërkatja termike konvencionale nuk mund të përdoret për këtë qëllim. Kjo për shkak të faktit se pluhurat metalike të qelqit kristalizohen në temperatura të larta1.
Shumica e instrumenteve të përdorura në industrinë mjekësore dhe ushqimore janë bërë nga lidhje çeliku inox austenitik (SUS316 dhe SUS304) me një përmbajtje kromi prej 12 deri në 20% në peshë për prodhimin e instrumenteve kirurgjikale. Pranohet përgjithësisht se përdorimi i kromit metalik si element lidhës në lidhjet e çelikut mund të përmirësojë ndjeshëm rezistencën ndaj korrozionit të lidhjeve standarde të çelikut. Lidhjet e çelikut inox, pavarësisht rezistencës së tyre të lartë ndaj korrozionit, nuk kanë veti të rëndësishme antimikrobike38,39. Kjo bie ndesh me rezistencën e tyre të lartë ndaj korrozionit. Pas kësaj, është e mundur të parashikohet zhvillimi i infeksionit dhe inflamacionit, të cilat janë kryesisht për shkak të ngjitjes dhe kolonizimit bakterial në sipërfaqen e biomaterialeve të çelikut inox. Vështirësi të konsiderueshme mund të lindin për shkak të vështirësive të konsiderueshme që lidhen me ngjitjen bakteriale dhe rrugët e formimit të biofilmit, të cilat mund të çojnë në shëndet të dobët, të cilat mund të kenë shumë pasoja që mund të ndikojnë drejtpërdrejt ose tërthorazi në shëndetin e njeriut.
Ky studim është faza e parë e një projekti të financuar nga Fondacioni i Kuvajtit për Avancimin e Shkencës (KFAS), kontrata nr. 2010-550401, për të hetuar fizibilitetin e prodhimit të pluhurave ternare Cu-Zr-Ni me ngjyrë metalike qelqi duke përdorur teknologjinë MA (tabela). 1) Për prodhimin e filmit/veshjes mbrojtëse sipërfaqësore antibakteriale SUS304. Faza e dytë e projektit, që pritet të fillojë në janar 2023, do të studiojë në detaje karakteristikat e korrozionit galvanik dhe vetitë mekanike të sistemit. Do të kryhen teste të hollësishme mikrobiologjike për lloje të ndryshme të baktereve.
Ky artikull diskuton efektin e përmbajtjes së aliazhit të Zr në aftësinë e formimit të qelqit (GFA) bazuar në karakteristikat morfologjike dhe strukturore. Përveç kësaj, u diskutuan edhe vetitë antibakteriale të kompozitit të qelqit metalik të veshur me pluhur/SUS304. Përveç kësaj, është kryer punë e vazhdueshme për të hetuar mundësinë e transformimit strukturor të pluhurave të qelqit metalik që ndodh gjatë spërkatjes së ftohtë në rajonin e lëngshëm të superftohur të sistemeve të qelqit metalik të prodhuar. Aliazhet e qelqit metalik Cu50Zr30Ni20 dhe Cu50Zr20Ni30 u përdorën si shembuj përfaqësues në këtë studim.
Ky seksion paraqet ndryshimet morfologjike në pluhurat e Cu, Zr dhe Ni elemental gjatë bluarjes me sfera me energji të ulët. Dy sisteme të ndryshme që përbëhen nga Cu50Zr20Ni30 dhe Cu50Zr40Ni10 do të përdoren si shembuj ilustrues. Procesi MA mund të ndahet në tre faza të veçanta, siç dëshmohet nga karakterizimi metalografik i pluhurit të marrë në fazën e bluarjes (Fig. 3).
Karakteristikat metalografike të pluhurave të lidhjeve mekanike (MA) të marra pas fazave të ndryshme të bluarjes me sfera. Imazhet e mikroskopisë elektronike skanuese me emetim në fushë (FE-SEM) të pluhurave MA dhe Cu50Zr40Ni10 të marra pas bluarjes me sfera me energji të ulët për 3, 12 dhe 50 orë tregohen në (a), (c) dhe (e) për sistemin Cu50Zr20Ni30, ndërsa në të njëjtin MA. Imazhet përkatëse të sistemit Cu50Zr40Ni10 të marra pas kohës tregohen në (b), (d) dhe (f).
Gjatë bluarjes me topa, energjia kinetike efektive që mund të transferohet në pluhurin metalik ndikohet nga një kombinim parametrash, siç tregohet në Fig. 1a. Kjo përfshin përplasjet midis topave dhe pluhurave, ngjeshjen prerëse të pluhurit të mbërthyer midis ose midis mediave të bluarjes, ndikimet nga topat që bien, prerjen dhe konsumimin e shkaktuar nga tërheqja e pluhurit midis trupave lëvizës të një mulliri me topa dhe një valë goditëse që kalon përmes topave që bien dhe përhapet përmes kulturës së ngarkuar (Fig. 1a). Элементарные порошки Cu, Zr и Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки на ранней стадии МА (3 ч), что привело к образованию крупных частиц порошка (> 1 mm në diametre). Pluhurat elementarë të Cu, Zr dhe Ni u deformuan rëndë për shkak të saldimit të ftohtë në një fazë të hershme të MA (3 orë), gjë që çoi në formimin e grimcave të mëdha të pluhurit (> 1 mm në diametër).Këto grimca të mëdha kompozite karakterizohen nga formimi i shtresave të trasha të elementëve aliazhues (Cu, Zr, Ni), siç tregohet në fig. 3a,b. Një rritje në kohën MA në 12 orë (faza e ndërmjetme) çoi në një rritje të energjisë kinetike të mullirit me sfera, gjë që çoi në dekompozimin e pluhurit kompozit në pluhura më të vegjël (më pak se 200 μm), siç tregohet në Fig. 3c, city. Në këtë fazë, forca prerëse e aplikuar çon në formimin e një sipërfaqeje të re metalike me shtresa të holla Cu, Zr, Ni, siç tregohet në Fig. 3c, d. Si rezultat i bluarjes së shtresave në ndërfaqen e thekonve, ndodhin reaksione të fazës së ngurtë me formimin e fazave të reja.
Në kulmin e procesit MA (pas 50 orësh), metalografia e flluskave mezi vihej re (Fig. 3e, f), dhe metalografia pasqyrë u vu re në sipërfaqen e lëmuar të pluhurit. Kjo do të thotë që procesi MA përfundoi dhe u krijua një fazë e vetme reagimi. Përbërja elementare e rajoneve të treguara në Fig. 3e (I, II, III), f, v, vi) u përcaktua duke përdorur mikroskopinë elektronike skanuese të emetimit në fushë (FE-SEM) në kombinim me spektroskopinë shpërndarëse të rrezeve X të energjisë (EDS). (IV).
Në tabelën 2, përqendrimet elementare të elementëve aliazhues tregohen si përqindje e masës totale të secilit rajon të zgjedhur në fig. 3e, f. Krahasimi i këtyre rezultateve me përbërjet nominale fillestare të Cu50Zr20Ni30 dhe Cu50Zr40Ni10 të dhëna në Tabelën 1 tregon se përbërjet e këtyre dy produkteve përfundimtare janë shumë afër përbërjeve nominale. Përveç kësaj, vlerat relative të përbërësve për rajonet e listuara në Fig. 3e, f nuk sugjerojnë përkeqësim ose ndryshim të konsiderueshëm në përbërjen e secilës mostër nga një rajon në tjetrin. Kjo dëshmohet nga fakti se nuk ka ndryshim në përbërje nga një rajon në tjetrin. Kjo tregon prodhimin e pluhurave uniforme të aliazhit siç tregohet në Tabelën 2.
Mikrografitë FE-SEM të pluhurit të produktit përfundimtar Cu50(Zr50-xNix) u morën pas 50 herësh MA, siç tregohet në Fig. 4a-d, ku x është përkatësisht 10, 20, 30 dhe 40 at.%. Pas këtij hapi bluarjeje, pluhuri grumbullohet për shkak të efektit van der Waals, i cili çon në formimin e agregateve të mëdha që përbëhen nga grimca ultra të imëta me një diametër prej 73 deri në 126 nm, siç tregohet në Figurën 4.
Karakteristikat morfologjike të pluhurave Cu50(Zr50-xNix) të marra pas MA 50-orëshe. Për sistemet Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, imazhet FE-SEM të pluhurave të marra pas 50 MA tregohen përkatësisht në (a), (b), (c) dhe (d).
Përpara se pluhurat të ngarkoheshin në furnizuesin me spërkatje të ftohtë, ato u nënshtruan së pari ultratingujve në etanol të gradës analitike për 15 minuta dhe më pas u thanë në 150°C për 2 orë. Ky hap duhet të ndërmerret për të luftuar me sukses aglomerimin, i cili shpesh shkakton shumë probleme serioze në procesin e veshjes. Pas përfundimit të procesit MA, u kryen studime të mëtejshme për të hetuar homogjenitetin e pluhurave të aliazhit. Në fig. 5a-d tregohen mikrografitë FE-SEM dhe imazhet përkatëse EDS të elementëve aliazhues Cu, Zr dhe Ni të aliazhit Cu50Zr30Ni20 të marra pas 50 orësh kohe M, përkatësisht. Duhet të theksohet se pluhurat e aliazhit të përftuara pas këtij hapi janë homogjene, pasi ato nuk shfaqin ndonjë luhatje të përbërjes përtej nivelit nën-nanometrik, siç tregohet në Figurën 5.
Morfologjia dhe shpërndarja lokale e elementeve në pluhurin MG Cu50Zr30Ni20 të përftuar pas 50 MA me anë të FE-SEM/Spektroskopisë me Rreze X me Shpërndarje të Energjisë (EDS). (a) Imazhe SEM dhe Rreze X EDS të (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα dhe (d) Ni-Kα.
Modelet e difraksionit të rrezeve X të pluhurave Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 dhe Cu50Zr20Ni30 të aliazhuara mekanikisht, të marra pas MA 50-orëshe, tregohen përkatësisht në Fig. 6a-d. Pas kësaj faze bluarjeje, të gjitha mostrat me përqendrime të ndryshme Zr kishin struktura amorfe me modele karakteristike të difuzionit halo të treguara në Fig. 6.
Modelet e difraksionit me rreze X të pluhurave Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) dhe Cu50Zr20Ni30 (d) pas MA për 50 orë. Një model halo-difuzioni u vu re në të gjitha mostrat pa përjashtim, duke treguar formimin e një faze amorfe.
Mikroskopia elektronike e transmetimit të emetimit të fushës me rezolucion të lartë (FE-HRTEM) u përdor për të vëzhguar ndryshimet strukturore dhe për të kuptuar strukturën lokale të pluhurave që rezultojnë nga bluarja me sfera në kohë të ndryshme MA. Imazhet e pluhurave të marra me metodën FE-HRTEM pas fazave të hershme (6 orë) dhe të ndërmjetme (18 orë) të bluarjes së pluhurave Cu50Zr30Ni20 dhe Cu50Zr40Ni10 tregohen përkatësisht në Fig. 7a. Sipas imazhit të fushës së ndritshme (BFI) të pluhurit të marrë pas 6 orësh MA, pluhuri përbëhet nga kokrriza të mëdha me kufij të përcaktuar qartë të elementëve fcc-Cu, hcp-Zr dhe fcc-Ni, dhe nuk ka shenja të formimit të një faze reagimi, siç tregohet në Fig. 7a. Përveç kësaj, një model i korreluar i difraksionit të zonës së zgjedhur (SADP) i marrë nga rajoni i mesëm (a) zbuloi një model të mprehtë difraksioni (Fig. 7b) që tregon praninë e kristaliteve të mëdha dhe mungesën e një faze reaktive.
Karakteristikat strukturore lokale të pluhurit MA të marra pas fazave të hershme (6 orë) dhe të ndërmjetme (18 orë). (a) Mikroskopia elektronike e transmetimit të emetimit të fushës me rezolucion të lartë (FE-HRTEM) dhe (b) difraktograma përkatëse e zonës së zgjedhur (SADP) e pluhurit Cu50Zr30Ni20 pas trajtimit MA për 6 orë. Imazhi FE-HRTEM i Cu50Zr40Ni10 i marrë pas MA 18-orëshe është treguar në (c).
Siç tregohet në fig. 7c, një rritje në kohëzgjatjen e MA në 18 orë çoi në defekte serioze të rrjetës në kombinim me deformimin plastik. Në këtë fazë të ndërmjetme të procesit MA, në pluhur shfaqen defekte të ndryshme, duke përfshirë defekte të grumbullimit, defekte të rrjetës dhe defekte të pikës (Fig. 7). Këto defekte shkaktojnë fragmentimin e kokrrizave të mëdha përgjatë kufijve të kokrrizave në nënkokrriza më të vogla se 20 nm në madhësi (Fig. 7c).
Struktura lokale e pluhurit Cu50Z30Ni20 të bluar për 36 orë MA karakterizohet nga formimi i nanogrimcave ultra të imëta të ngulitura në një matricë të hollë amorfe, siç tregohet në Fig. 8a. Një analizë lokale e EMF tregoi se nanogrumbullamat e treguara në Fig. 8a shoqërohen me lidhje pluhuri Cu, Zr dhe Ni të patrajtuara. Përmbajtja e Cu në matricë varionte nga ~32 at.% (zona e varfër) në ~74 at.% (zona e pasur), gjë që tregon formimin e produkteve heterogjene. Përveç kësaj, SADP-të përkatëse të pluhurave të marra pas bluarjes në këtë hap tregojnë unaza fazore amorfe halo-difuzioni primare dhe sekondare që mbivendosen me pika të mprehta të shoqëruara me këto elementë lidhës të patrajtuar, siç tregohet në Fig. 8b.
Karakteristikat strukturore lokale në shkallë nano të pluhurit Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20. (a) Imazh i fushës së ndritshme (BFI) dhe (b) SADP përkatëse e pluhurit Cu50Zr30Ni20 e marrë pas bluarjes për 36 orë MA.
Drejt fundit të procesit MA (50 orë), pluhurat Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 dhe 40 at.%, pa përjashtim, kanë një morfologji labirintike të fazës amorfe, siç tregohet në Fig. . As difraksioni i pikës dhe as modelet e mprehta unazore nuk mund të zbuloheshin në SADS përkatëse të secilës përbërje. Kjo tregon mungesën e metalit kristalor të patrajtuar, por më tepër formimin e një pluhuri aliazh amorf. Këto SADP të korreluara që tregojnë modele difuzioni halo u përdorën gjithashtu si provë për zhvillimin e fazave amorfe në materialin përfundimtar të produktit.
Struktura lokale e produktit përfundimtar të sistemit Cu50 MS (Zr50-xNix). FE-HRTEM dhe modelet e korreluara të difraksionit të nanobrezave (NBDP) të (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30, dhe (d) Cu50Zr10Ni40 të marra pas 50 orësh MA.
Duke përdorur kalorimetrinë skanuese diferenciale, u studiua qëndrueshmëria termike e temperaturës së tranzicionit të qelqit (Tg), rajonit të lëngut të superftohur (ΔTx) dhe temperaturës së kristalizimit (Tx) në varësi të përmbajtjes së Ni (x) në sistemin amorf Cu50(Zr50-xNix). Vetitë (DSC) në rrjedhën e gazit He. Kurbat DSC të pluhurave të lidhjeve amorfe Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 dhe Cu50Zr10Ni40 të marra pas MA për 50 orë tregohen përkatësisht në Fig. 10a, b, e. Ndërsa kurba DSC e Cu50Zr20Ni30 amorf tregohet veçmas në Fig. të shekullit të 10-të. Ndërkohë, një mostër Cu50Zr30Ni20 e ngrohur në ~700°C në DSC tregohet në Fig. 10g.
Stabiliteti termik i pluhurave Cu50(Zr50-xNix)MG të përftuara pas MA për 50 orë përcaktohet nga temperatura e tranzicionit të qelqit (Tg), temperatura e kristalizimit (Tx) dhe rajoni i lëngshëm i superftohur (ΔTx). Termogramet e pluhurave të kalorimetrit skanues diferencial (DSC) të Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) dhe (e) pluhurave të lidhjeve Cu50Zr10Ni40MG pas MA për 50 orë. Një model difraksioni me rreze X (XRD) i një mostre Cu50Zr30Ni20 të ngrohur në ~700°C në DSC tregohet në (d).
Siç tregohet në Figurën 10, kurbat DSC për të gjitha përbërjet me përqendrime të ndryshme të nikelit (x) tregojnë dy raste të ndryshme, një endotermike dhe tjetra ekzotermike. Ngjarja e parë endotermike korrespondon me Tg, dhe e dyta shoqërohet me Tx. Sipërfaqja horizontale e hapësirës që ekziston midis Tg dhe Tx quhet zona e lëngut të nënftohur (ΔTx = Tx – Tg). Rezultatet tregojnë se Tg dhe Tx e mostrës Cu50Zr40Ni10 (Fig. 10a) e vendosur në 526°C dhe 612°C e zhvendosin përmbajtjen (x) deri në 20% drejt anës së temperaturës së ulët prej 482°C dhe 563°C. °C me rritjen e përmbajtjes së Ni (x), përkatësisht, siç tregohet në Figurën 10b. Si pasojë, ΔTx Cu50Zr40Ni10 zvogëlohet nga 86°С (Fig. 10a) në 81°С për Cu50Zr30Ni20 (Fig. 10b). Për lidhjen MC Cu50Zr40Ni10, u vu re gjithashtu një rënie në vlerat e Tg, Tx dhe ΔTx në nivelet 447°C, 526°C dhe 79°C (Fig. 10b). Kjo tregon se një rritje në përmbajtjen e Ni çon në një ulje të qëndrueshmërisë termike të lidhjes MS. Përkundrazi, vlera e Tg (507 °C) e lidhjes MC Cu50Zr20Ni30 është më e ulët se ajo e lidhjes MC Cu50Zr40Ni10; megjithatë, Tx e saj tregon një vlerë të krahasueshme me të (612 °C). Prandaj, ΔTx ka një vlerë më të lartë (87°C) siç tregohet në fig. shekulli i 10-të.
Sistemi MC Cu50(Zr50-xNix), duke përdorur si shembull lidhjen MC Cu50Zr20Ni30, kristalizohet përmes një maje të mprehtë ekzotermike në fazat kristalore fcc-ZrCu5, ortorombike-Zr7Cu10 dhe ortorombike-ZrNi (Fig. 10c). Ky kalim faze nga amorfe në kristalore u konfirmua nga analiza e difraksionit me rreze X të mostrës MG (Fig. 10d) e cila u ngroh në 700 °C në DSC.
Në fig. 11 tregohen fotografi të bëra gjatë procesit të spërkatjes së ftohtë të kryer në punën aktuale. Në këtë studim, grimcat e pluhurit metalik qelqor të sintetizuar pas MA për 50 orë (duke përdorur Cu50Zr20Ni30 si shembull) u përdorën si lëndë e parë antibakteriale, dhe një pllakë çeliku inox (SUS304) u vesh me spërkatje të ftohtë. Metoda e spërkatjes së ftohtë u zgjodh për veshjen në serinë e teknologjisë së spërkatjes termike sepse është metoda më efikase në serinë e teknologjisë së spërkatjes termike ku mund të përdoret për materiale metalike metastabile të ndjeshme ndaj nxehtësisë, siç janë pluhurat amorfe dhe nanokristaline. Nuk i nënshtrohet tranzicioneve fazore. Ky është faktori kryesor në zgjedhjen e kësaj metode. Procesi i depozitimit të ftohtë kryhet duke përdorur grimca me shpejtësi të lartë që shndërrojnë energjinë kinetike të grimcave në deformim plastik, deformim dhe nxehtësi pas goditjes me substratin ose grimcat e depozituara më parë.
Fotografitë në terren tregojnë procedurën e spërkatjes së ftohtë të përdorur për pesë përgatitje të njëpasnjëshme të MG/SUS 304 në 550°C.
Energjia kinetike e grimcave, si dhe impulsi i secilës grimcë gjatë formimit të veshjes, duhet të shndërrohen në forma të tjera të energjisë përmes mekanizmave të tillë si deformimi plastik (grimcat primare dhe bashkëveprimet ndërgrimore në matricë dhe bashkëveprimet e grimcave), nyjet ndërqelizore të trupave të ngurtë, rrotullimi midis grimcave, deformimi dhe ngrohja kufizuese 39. Përveç kësaj, nëse jo e gjithë energjia kinetike hyrëse shndërrohet në energji termike dhe energji deformimi, rezultati do të jetë një përplasje elastike, që do të thotë se grimcat thjesht kërcejnë pas impaktit. Është vënë re se 90% e energjisë së impaktit të aplikuar në materialin grimcë/substrat shndërrohet në nxehtësi lokale 40. Përveç kësaj, kur aplikohet stresi i impaktit, arrihen shkallë të larta të deformimit plastik në rajonin e kontaktit grimcë/substrat në një kohë shumë të shkurtër 41,42.
Deformimi plastik zakonisht konsiderohet si një proces i shpërndarjes së energjisë, ose më saktë, si një burim nxehtësie në rajonin ndërfaqësor. Megjithatë, rritja e temperaturës në rajonin ndërfaqësor zakonisht nuk është e mjaftueshme për ndodhjen e shkrirjes ndërfaqësore ose stimulimin e ndjeshëm të difuzionit të ndërsjellë të atomeve. Asnjë botim i njohur për autorët nuk ka hetuar efektin e vetive të këtyre pluhurave metalikë qelqorë në ngjitjen dhe sedimentimin e pluhurit që ndodh kur përdoren teknikat e spërkatjes së ftohtë.
BFI-ja e pluhurit të aliazhit MG Cu50Zr20Ni30 mund të shihet në Fig. 12a, i cili u depozitua në substratin SUS 304 (Fig. 11, 12b). Siç mund të shihet nga figura, pluhurat e veshura ruajnë strukturën e tyre origjinale amorfe pasi kanë një strukturë delikate labirinti pa asnjë tipar kristalor ose defekt të rrjetës. Nga ana tjetër, imazhi tregon praninë e një faze të huaj, siç dëshmohet nga nanopjesëzat e përfshira në matricën e pluhurit të veshur me MG (Fig. 12a). Figura 12c tregon modelin e difraksionit të indeksuar të nanobrezave (NBDP) të shoqëruar me rajonin I (Figura 12a). Siç tregohet në fig. 12c, NBDP shfaq një model të dobët halo-difuzioni të strukturës amorfe dhe bashkëjeton me njolla të mprehta që korrespondojnë me një fazë të madhe kubike kristalore metastabile Zr2Ni plus një fazë tetragonale CuO. Formimi i CuO mund të shpjegohet me oksidimin e pluhurit kur lëviz nga gryka e pistoletës së spërkatjes në SUS ​​304 në ajër të hapur në një rrjedhë supersonike. Nga ana tjetër, devitrifikimi i pluhurave metalike qelqi rezultoi në formimin e fazave të mëdha kubike pas trajtimit me spërkatje të ftohtë në 550°C për 30 minuta.
(a) Imazh FE-HRTEM i pluhurit MG të depozituar në (b) substratin SUS 304 (Figura e futur). Indeksi NBDP i simbolit të rrumbullakët të treguar në (a) është treguar në (c).
Për të testuar këtë mekanizëm të mundshëm për formimin e nanopjesëzave të mëdha kubike Zr2Ni, u krye një eksperiment i pavarur. Në këtë eksperiment, pluhurat u spërkatën nga një atomizues në 550°C në drejtim të substratit SUS 304; megjithatë, për të përcaktuar efektin e pjekjes, pluhurat u hoqën nga shiriti SUS304 sa më shpejt të ishte e mundur (rreth 60 s). U krye një seri tjetër eksperimentesh në të cilat pluhuri u hoq nga substrati afërsisht 180 sekonda pas aplikimit.
Figurat 13a,b tregojnë imazhe të fushës së errët (DFI) me Mikroskopinë Elektronike Skanuese dhe Transmetuese (STEM) të dy materialeve të spërkatura të depozituara në substratet SUS 304 për 60 s dhe 180 s, përkatësisht. Imazhi i pluhurit të depozituar për 60 sekonda nuk ka detaje morfologjike, duke treguar mungesë karakteristikash (Fig. 13a). Kjo u konfirmua edhe nga XRD, e cila tregoi se struktura e përgjithshme e këtyre pluhurave ishte amorfe, siç tregohet nga majat e gjera të difraksionit primar dhe sekondar të treguara në Figurën 14a. Kjo tregon mungesën e precipitateve metastabile/mezofazë, në të cilat pluhuri ruan strukturën e tij origjinale amorfe. Në të kundërt, pluhuri i depozituar në të njëjtën temperaturë (550°C), por i lënë në substrat për 180 s tregoi depozitimin e kokrrizave me madhësi nano, siç tregohet nga shigjetat në Fig. 13b.