Asante kwa kutembelea Nature.com. Toleo la kivinjari unachotumia lina usaidizi mdogo kwa CSS. Kwa matumizi bora, tunapendekeza utumie kivinjari kilichosasishwa (au uzime hali ya utangamano katika Internet Explorer). Wakati huo huo, ili kuhakikisha usaidizi unaoendelea, tutaonyesha tovuti bila mitindo na JavaScript.
Biofilms ni sehemu muhimu katika ukuaji wa maambukizi sugu, hasa wakati vifaa vya matibabu vinapohusika. Tatizo hili linaleta changamoto kubwa kwa jamii ya matibabu, kwani viuavijasumu vya kawaida vinaweza kutokomeza biofilms kwa kiwango kidogo sana. Kuzuia uundaji wa biofilms kumesababisha maendeleo ya mbinu mbalimbali za mipako na vifaa vipya. Mbinu hizi zinalenga kufunika nyuso kwa njia inayozuia uundaji wa biofilms. Aloi za kioo za metali, hasa zile zenye metali za shaba na titani, zimeibuka kama mipako bora ya antimicrobial. Wakati huo huo, matumizi ya teknolojia ya kunyunyizia baridi yameongezeka kwani ni njia inayofaa ya kusindika vifaa vinavyoathiriwa na halijoto. Sehemu ya madhumuni ya utafiti huu ilikuwa kutengeneza glasi mpya ya chuma ya filamu ya antibacterial iliyotengenezwa kwa Cu-Zr-Ni ya ternary kwa kutumia mbinu za aloi za mitambo. Poda ya duara inayounda bidhaa ya mwisho hutumika kama malighafi kwa mipako ya kunyunyizia baridi ya nyuso za chuma cha pua kwa joto la chini. Vipande vilivyofunikwa na glasi ya chuma viliweza kupunguza kwa kiasi kikubwa uundaji wa biofilms kwa angalau gogo 1 ikilinganishwa na chuma cha pua.
Katika historia yote ya binadamu, jamii yoyote imeweza kubuni na kukuza utangulizi wa nyenzo mpya zinazokidhi mahitaji yake maalum, jambo ambalo limesababisha utendaji bora na cheo katika uchumi wa utandawazi1. Daima imekuwa ikihusishwa na uwezo wa binadamu wa kutengeneza vifaa na vifaa vya utengenezaji na miundo ya utengenezaji wa vifaa na uainishaji ili kufikia mafanikio katika afya, elimu, tasnia, uchumi, utamaduni na nyanja zingine kutoka nchi moja au eneo moja hadi jingine. Maendeleo hupimwa bila kujali nchi au eneo. 2 Kwa miaka 60, wanasayansi wa vifaa wametumia muda wao mwingi kuzingatia jambo moja kuu: kutafuta nyenzo mpya na za kisasa. Utafiti wa hivi karibuni umejikita katika kuboresha ubora na utendaji wa nyenzo zilizopo, pamoja na kuunganisha na kuvumbua aina mpya kabisa za vifaa.
Kuongezwa kwa vipengele vya uchanganyaji, marekebisho ya muundo mdogo wa nyenzo, na matumizi ya mbinu za usindikaji wa joto, mitambo au thermo-mitambo kumesababisha maboresho makubwa katika sifa za mitambo, kemikali na kimwili za aina mbalimbali za vifaa tofauti. Zaidi ya hayo, misombo ambayo haijasikika hadi sasa imetengenezwa kwa mafanikio katika hatua hii. Jitihada hizi zinazoendelea zimezalisha familia mpya ya vifaa bunifu, vinavyojulikana kwa pamoja kama Vifaa vya Kina2. Nanocrystals, nanochembechembe, nanotubes, nukta za quantum, glasi za metali zisizo na umbo, zisizo na umbo, na aloi zenye entropy nyingi ni baadhi tu ya mifano ya vifaa vya hali ya juu vilivyoletwa duniani tangu katikati ya karne iliyopita. Wakati wa kutengeneza na kutengeneza aloi mpya zenye sifa bora, iwe katika bidhaa ya mwisho au katika hatua za kati za uzalishaji wake, tatizo la kutolingana mara nyingi huongezwa. Kama matokeo ya kutekeleza mbinu mpya za utengenezaji ili kupotoka kwa kiasi kikubwa kutoka kwa usawa, darasa jipya kabisa la aloi zinazoweza kubadilika, zinazojulikana kama glasi za metali, limegunduliwa.
Kazi yake huko Caltech mnamo 1960 ilileta mapinduzi katika dhana ya aloi za chuma alipotengeneza aloi za kioo za Au-25 at.% Si kwa kuganda haraka kwa karibu digrii milioni moja kwa sekunde. 4. Tukio la ugunduzi la Profesa Pol Duwezs halikutangaza tu mwanzo wa historia ya glasi za metali (MG), lakini pia lilisababisha mabadiliko ya dhana katika jinsi watu wanavyofikiria kuhusu aloi za metali. Tangu masomo ya awali ya upainia katika usanisi wa aloi za MG, karibu glasi zote za metali zimetengenezwa kabisa kwa kutumia moja ya njia zifuatazo; (i) ugandamizaji wa haraka wa kuyeyuka au mvuke, (ii) kuvurugika kwa atomiki ya kimiani, (iii) athari za uundaji wa hali-ngumu kati ya vipengele safi vya metali, na (iv) mabadiliko ya hali-ngumu ya awamu zinazoweza kubadilika.
MG zinatofautishwa na ukosefu wao wa mpangilio wa atomiki wa masafa marefu unaohusishwa na fuwele, ambayo ni sifa inayofafanua fuwele. Katika ulimwengu wa leo, maendeleo makubwa yamefanywa katika uwanja wa glasi ya metali. Ni nyenzo mpya zenye sifa za kuvutia ambazo zinavutia sio tu katika fizikia ya hali ngumu, lakini pia katika metallurjia, kemia ya uso, teknolojia, biolojia na nyanja zingine nyingi. Aina hii mpya ya nyenzo inaonyesha sifa tofauti kutoka kwa metali ngumu, na kuifanya kuwa mgombea wa kuvutia kwa matumizi ya kiteknolojia katika nyanja mbalimbali. Zina sifa muhimu; (i) unyumbufu mkubwa wa mitambo na nguvu ya mavuno, (ii) upenyezaji mkubwa wa sumaku, (iii) msongamano mdogo, (iv) upinzani usio wa kawaida wa kutu, (v) uhuru wa halijoto Upitishaji wa 6,7.
Uunganishaji wa mitambo (MA)1,8 ni mbinu mpya kiasi, iliyoanzishwa kwa mara ya kwanza mwaka wa 19839 na Prof. CC Kock na wenzake. Waliandaa poda zisizo na umbo la Ni60Nb40 kwa kusaga mchanganyiko wa vipengele safi kwenye halijoto ya kawaida iliyo karibu sana na halijoto ya kawaida. Kwa kawaida, mmenyuko wa MA hufanywa kati ya muunganiko wa kusambaza wa poda za nyenzo za kisektanti katika kisekta, kwa kawaida hutengenezwa kwa chuma cha pua ndani ya kinu cha mpira 10 (Mchoro 1a, b). Tangu wakati huo, mbinu hii ya mmenyuko wa hali ngumu inayosababishwa na mitambo imetumika kuandaa poda mpya za aloi za kioo zisizo na umbo/metali kwa kutumia vinu vya mpira vya chini (Mchoro 1c) na vyenye nguvu nyingi, pamoja na vinu vya fimbo 11,12,13,14,15, 16. Hasa, njia hii imetumika kuandaa mifumo isiyochanganyika kama vile Cu-Ta17, pamoja na aloi za kiwango cha juu cha kuyeyuka kama vile mifumo ya chuma ya Al-transition (TM; Zr, Hf, Nb na Ta)18,19 na Fe-W20, ambazo haziwezi kupatikana kwa kutumia njia za kawaida za maandalizi. Zaidi ya hayo, MA inachukuliwa kuwa mojawapo ya zana zenye nguvu zaidi za nanoteknolojia kwa ajili ya maandalizi ya chembe za unga wa nanocrystalline na nanocomposite za oksidi za chuma, kabidi, nitridi, hidridi, mirija ya kaboni, nanoalmasi, Pamoja na uthabiti mpana kupitia mbinu ya kutoka juu hadi chini 1 na hatua zinazoweza kubadilika.
Mchoro unaoonyesha mbinu ya utengenezaji inayotumika kuandaa mipako ya Cu50(Zr50−xNix) ya kioo cha metali (MG)/SUS 304 katika utafiti huu.(a) Maandalizi ya poda za aloi za MG zenye viwango tofauti vya Ni x (x; 10, 20, 30 na 40 at.%) kwa kutumia mbinu ya kusaga mpira yenye nguvu kidogo.(a) Nyenzo ya kuanzia hupakiwa kwenye silinda ya zana pamoja na mipira ya chuma ya zana, na (b) hufungwa kwenye sanduku la glavu lililojaa angahewa ya He.(c) Mfano wa uwazi wa chombo cha kusaga kinachoonyesha mwendo wa mpira wakati wa kusaga. Bidhaa ya mwisho ya unga iliyopatikana baada ya saa 50 ilitumika kupaka substrate ya SUS 304 kwa kutumia njia ya kunyunyizia baridi (d).
Linapokuja suala la nyuso za nyenzo nyingi (substrates), uhandisi wa uso unahusisha muundo na urekebishaji wa nyuso (substrates) ili kutoa sifa fulani za kimwili, kemikali na kiufundi ambazo hazimo katika nyenzo asili za wingi. Baadhi ya sifa ambazo zinaweza kuboreshwa kwa ufanisi kwa matibabu ya uso ni pamoja na upinzani wa mkwaruzo, upinzani wa oksidi na kutu, mgawo wa msuguano, uimara wa kibiolojia, sifa za umeme, na insulation ya joto, kutaja chache. Ubora wa uso unaweza kuboreshwa kwa kutumia mbinu za metallurgiska, mitambo au kemikali. Kama mchakato unaojulikana sana, mipako hufafanuliwa tu kama tabaka moja au nyingi za nyenzo zilizowekwa bandia kwenye uso wa kitu kikubwa (substrate) kilichotengenezwa kwa nyenzo nyingine. Kwa hivyo, mipako hutumiwa kwa sehemu kufikia sifa fulani za kiufundi au za mapambo zinazohitajika, na pia kulinda nyenzo kutokana na mwingiliano unaotarajiwa wa kemikali na kimwili na mazingira yanayozunguka23.
Ili kuweka tabaka zinazofaa za ulinzi wa uso zenye unene kuanzia mikromita chache (chini ya mikromita 10-20) hadi zaidi ya mikromita 30 au hata milimita chache, mbinu na mbinu nyingi zinaweza kutumika. Kwa ujumla, michakato ya mipako inaweza kugawanywa katika makundi mawili: (i) mbinu za mipako ya mvua, ikiwa ni pamoja na uchomaji wa umeme, uchomaji wa umeme bila kutumia umeme, na mbinu za kuchovya mabati kwa moto, na (ii) mbinu za mipako kavu, ikiwa ni pamoja na uchomaji, uso, uchomaji wa mvuke wa kimwili (PVD), uchomaji wa mvuke wa kemikali (CVD), mbinu za kunyunyizia joto na mbinu za kunyunyizia baridi hivi karibuni 24 (Mchoro 1d).
Biofilms hufafanuliwa kama jamii za vijidudu ambazo zimeunganishwa bila kubadilika kwenye nyuso na kuzungukwa na polima za nje ya seli zinazozalishwa zenyewe (EPS). Uundaji wa biofilms zilizokomaa juu juu unaweza kusababisha hasara kubwa katika sekta nyingi za viwanda, ikiwa ni pamoja na tasnia ya chakula, mifumo ya maji, na mazingira ya huduma ya afya. Kwa wanadamu, biofilms zinapoundwa, zaidi ya 80% ya visa vya maambukizi ya vijidudu (ikiwa ni pamoja na Enterobacteriaceae na Staphylococci) ni vigumu kutibu. Zaidi ya hayo, biofilms zilizokomaa zimeripotiwa kuwa sugu mara 1000 kwa matibabu ya viuavijasumu ikilinganishwa na seli za bakteria za planktoniki, ambayo inachukuliwa kuwa changamoto kubwa ya matibabu. Vifaa vya mipako ya uso wa antimicrobial inayotokana na misombo ya kawaida ya kikaboni imetumika kihistoria. Ingawa vifaa hivyo mara nyingi huwa na vipengele vyenye sumu ambavyo vinaweza kuwa hatari kwa wanadamu,25,26 inaweza kusaidia kuepuka maambukizi ya bakteria na uharibifu wa nyenzo.
Upinzani ulioenea wa bakteria kwa matibabu ya viuavijasumu kutokana na uundaji wa biofilm umesababisha hitaji la kutengeneza uso wenye ufanisi wa utando wa viuavijasumu ambao unaweza kutumika kwa usalama27. Ukuzaji wa uso wa kimwili au wa kemikali unaopingana na kushikamana ambao seli za bakteria huzuiwa kufunga na kujenga biofilms kutokana na ushikamano ndio njia ya kwanza katika mchakato huu27. Teknolojia ya pili ni kutengeneza mipako inayowezesha kemikali za viuavijasumu kuwasilishwa haswa pale zinapohitajika, kwa viwango vilivyojilimbikizia na vilivyoundwa. Hii inafanikiwa kwa kutengeneza vifaa vya kipekee vya mipako kama vile graphene/germanium28, black diamond29 na mipako ya kaboni kama almasi iliyochanganywa na ZnO30 ambayo ni sugu kwa bakteria, teknolojia inayoongeza Sumu na ukuaji wa upinzani kutokana na uundaji wa biofilm hupunguzwa sana.Zaidi ya hayo, mipako inayojumuisha kemikali za kuua vijidudu kwenye nyuso ili kutoa ulinzi wa muda mrefu kutokana na uchafuzi wa bakteria inazidi kuwa maarufu.Ingawa taratibu zote tatu zina uwezo wa kutoa athari za viuavijasumu kwenye nyuso zilizofunikwa, kila moja ina seti yake ya mapungufu ambayo yanapaswa kuzingatiwa wakati wa kutengeneza mikakati ya matumizi.
Bidhaa zilizopo sokoni kwa sasa zinazuiwa na muda wa kutosha wa kuchambua na kujaribu mipako ya kinga kwa viambato vinavyofanya kazi kibiolojia. Makampuni yanadai kwamba bidhaa zao zitawapa watumiaji vipengele vya utendaji vinavyohitajika; Hata hivyo, hii imekuwa kikwazo kwa mafanikio ya bidhaa zilizopo sokoni kwa sasa. Misombo inayotokana na fedha hutumika katika matibabu mengi ya viuavijasumu ambayo sasa yanapatikana kwa watumiaji. Bidhaa hizi zimetengenezwa ili kuwalinda watumiaji kutokana na athari zinazoweza kuwa hatari za vijidudu. Athari ya kuchelewa kwa viuavijasumu na sumu inayohusiana na misombo ya fedha huongeza shinikizo kwa watafiti kutengeneza njia mbadala isiyo na madhara36,37. Kuunda mipako ya kimataifa ya viuavijasumu inayofanya kazi ndani na nje bado kunaonekana kuwa kazi ngumu. Hii ni kwa sababu ya hatari zinazohusiana na afya na usalama. Kugundua wakala wa viuavijasumu ambao hauna madhara mengi kwa wanadamu na kujua jinsi ya kuuingiza kwenye substrates za mipako yenye maisha marefu ya rafu ni lengo linalotafutwa sana38. Nyenzo za hivi karibuni za viuavijasumu na viuavijasumu vimeundwa kuua bakteria karibu, ama kupitia mguso wa moja kwa moja au baada ya wakala anayefanya kazi kutolewa. Wanaweza kufanya hivi kwa kuzuia mshikamano wa awali wa bakteria (ikiwa ni pamoja na kukabiliana na uundaji wa safu ya protini juu ya uso) au kwa kuua bakteria kwa kuingilia ukuta wa seli.
Kimsingi, mipako ya uso ni mchakato wa kuweka safu nyingine kwenye uso wa sehemu ili kuongeza sifa zinazohusiana na uso. Lengo la mipako ya uso ni kurekebisha muundo mdogo na/au muundo wa eneo la karibu na uso wa sehemu39. Mbinu za mipako ya uso zinaweza kugawanywa katika mbinu tofauti, ambazo zimefupishwa katika Mchoro 2a. Mipako inaweza kugawanywa katika kategoria za joto, kemikali, kimwili, na elektroniki, kulingana na njia inayotumika kuunda mipako.
(a) Picha ndogo inayoonyesha mbinu kuu za utengenezaji zinazotumika kwa uso, na (b) faida na hasara zilizochaguliwa za mbinu ya kunyunyizia kwa baridi.
Teknolojia ya kunyunyizia baridi inafanana sana na mbinu za kawaida za kunyunyizia joto.Hata hivyo, pia kuna sifa muhimu za msingi zinazofanya mchakato wa kunyunyizia baridi na vifaa vya kunyunyizia baridi kuwa vya kipekee sana. Teknolojia ya kunyunyizia baridi bado iko katika uchanga wake, lakini ina mustakabali mzuri.Katika matumizi fulani, sifa za kipekee za kunyunyizia baridi hutoa faida kubwa, kushinda mapungufu ya asili ya njia za kawaida za kunyunyizia joto. Inatoa njia ya kushinda mapungufu makubwa ya teknolojia ya jadi ya kunyunyizia joto, wakati ambao unga lazima uyeyuke ili kumwaga kwenye substrate.Ni wazi, mchakato huu wa mipako ya jadi haufai kwa vifaa vinavyoathiriwa sana na halijoto kama vile nanofuli, nanochembechembe, glasi zisizo na umbo na za metali40, 41, 42.Zaidi ya hayo, vifaa vya mipako ya kunyunyizia joto huonyesha viwango vya juu vya porosity na oksidi. Teknolojia ya kunyunyizia baridi ina faida nyingi muhimu zaidi ya teknolojia ya kunyunyizia joto, kama vile (i) uingizaji mdogo wa joto kwenye substrate, (ii) kubadilika katika uchaguzi wa mipako ya substrate, (iii) kutokuwepo kwa mabadiliko ya awamu na ukuaji wa nafaka, (iv) nguvu ya juu ya dhamana1,39 (Mchoro 2b).Kwa kuongezea, vifaa vya mipako ya kunyunyizia baridi vina upinzani mkubwa wa kutu, nguvu na ugumu wa hali ya juu, upitishaji wa umeme mwingi na msongamano mkubwa41. Kinyume na faida za mchakato wa kunyunyizia baridi, bado kuna hasara za kutumia mbinu hii, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 2b. Wakati wa kupaka poda safi za kauri kama vile Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, n.k., njia ya kunyunyizia baridi haiwezi kutumika. Kwa upande mwingine, poda za mchanganyiko wa kauri/chuma zinaweza kutumika kama malighafi kwa mipako. Vivyo hivyo kwa njia zingine za kunyunyizia joto. Nyuso ngumu na nyuso za bomba la ndani bado ni vigumu kunyunyizia.
Kwa kuzingatia kwamba kazi ya sasa inalenga kutumia poda za kioo za metali kama nyenzo mbichi za mipako, ni wazi kwamba kunyunyizia joto kwa njia ya kawaida hakuwezi kutumika kwa kusudi hili. Hii ni kwa sababu poda za kioo za metali huganda kwenye halijoto ya juu1.
Zana nyingi zinazotumika katika tasnia ya matibabu na chakula zimetengenezwa kwa aloi za chuma cha pua za austenitic (SUS316 na SUS304) zenye kiwango cha kromiamu kati ya 12 na 20% kwa ajili ya utengenezaji wa vifaa vya upasuaji. Inakubaliwa kwa ujumla kwamba matumizi ya chuma cha kromiamu kama kipengele cha aloi za chuma yanaweza kuboresha sana upinzani wa kutu wa aloi za kawaida za chuma. Aloi za chuma cha pua, licha ya upinzani wao mkubwa wa kutu, hazionyeshi sifa muhimu za kuua vijidudu38,39. Hii inatofautiana na upinzani wao mkubwa wa kutu. Baada ya haya, maendeleo ya maambukizi na uvimbe yanaweza kutabiriwa, ambayo husababishwa zaidi na mshikamano wa bakteria na ukoloni kwenye uso wa biomaterials za chuma cha pua. Ugumu mkubwa unaweza kutokea kutokana na ugumu mkubwa unaohusishwa na mshikamano wa bakteria na njia za uundaji wa biofilm, ambayo inaweza kusababisha kuzorota kwa afya, ambayo inaweza kuwa na matokeo mengi ambayo yanaweza kuathiri moja kwa moja au kwa njia isiyo ya moja kwa moja afya ya binadamu.
Utafiti huu ni awamu ya kwanza ya mradi unaofadhiliwa na Wakfu wa Kuwait wa Maendeleo ya Sayansi (KFAS), Mkataba Nambari 2010-550401, ili kuchunguza uwezekano wa kutengeneza poda za Cu-Zr-Ni zenye rangi ya chuma kwa kutumia teknolojia ya MA (Jedwali 1) kwa ajili ya utengenezaji wa mipako ya ulinzi wa uso wa antibacterial film/SUS304. Awamu ya pili ya mradi, inayotarajiwa kuanza Januari 2023, itachunguza sifa za kutu za kielektroniki na sifa za kiufundi za mfumo kwa undani. Vipimo vya kina vya microbiological vitafanywa kwa spishi tofauti za bakteria.
Katika karatasi hii, athari ya kiwango cha kipengele cha uchanganyaji wa Zr kwenye uwezo wa kutengeneza kioo (GFA) inajadiliwa kulingana na sifa za kimofolojia na kimuundo. Zaidi ya hayo, sifa za bakteria za mipako ya unga wa kioo wa metali/SUS304 iliyofunikwa pia zilijadiliwa. Zaidi ya hayo, kazi ya sasa imefanywa ili kuchunguza uwezekano wa mabadiliko ya kimuundo ya unga wa kioo wa metali kutokea wakati wa kunyunyizia baridi ndani ya eneo la kioevu kilichopozwa chini ya mifumo ya kioo ya metali iliyotengenezwa. Kama mifano wakilishi, aloi za kioo za metali za Cu50Zr30Ni20 na Cu50Zr20Ni30 zimetumika katika utafiti huu.
Katika sehemu hii, mabadiliko ya kimofolojia ya poda za Cu, Zr na Ni za elementi katika usagaji wa mpira wenye nguvu ndogo yanawasilishwa. Kama mifano ya kuonyesha, mifumo miwili tofauti inayojumuisha Cu50Zr20Ni30 na Cu50Zr40Ni10 itatumika kama mifano wakilishi. Mchakato wa MA unaweza kugawanywa katika hatua tatu tofauti, kama inavyoonyeshwa na uainishaji wa metallografiki wa poda inayozalishwa wakati wa hatua ya kusaga (Mchoro 3).
Sifa za metallographic za poda za aloi ya mitambo (MA) zilizopatikana baada ya hatua tofauti za muda wa kusaga mpira. Picha za hadubini ya elektroni ya kuchanganua uzalishaji wa shambani (FE-SEM) za poda za MA na Cu50Zr40Ni10 zilizopatikana baada ya muda wa kusaga mpira wenye nguvu kidogo wa saa 3, 12 na 50 zinaonyeshwa katika (a), (c) na (e) kwa mfumo wa Cu50Zr20Ni30, huku katika MA hiyo hiyo Picha zinazolingana za mfumo wa Cu50Zr40Ni10 zilizochukuliwa baada ya muda zinaonyeshwa katika (b), (d) na (f).
Wakati wa kusaga mpira, nishati ya kinetiki inayofaa ambayo inaweza kuhamishiwa kwenye unga wa chuma huathiriwa na mchanganyiko wa vigezo, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 1a. Hii inajumuisha migongano kati ya mipira na poda, kukatwa kwa unga kwa kubana kukwama kati ya au kati ya vyombo vya kusaga, athari ya mipira inayoanguka, kukata na kuchakaa kutokana na kuvuta unga kati ya vyombo vya kusaga mpira vinavyosonga, na wimbi la mshtuko linalopita. Mipira inayoanguka ilienea kupitia mizigo ya mazao (Mchoro 1a). Poda za Cu, Zr, na Ni ziliharibika sana kutokana na kulehemu kwa baridi katika hatua ya mwanzo ya MA (saa 3), na kusababisha chembe kubwa za unga (>1 mm kwa kipenyo). Chembe hizi kubwa za mchanganyiko zina sifa ya uundaji wa tabaka nene za vipengele vya aloi (Cu, Zr, Ni), kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3a, b. Kuongeza muda wa MA hadi saa 12 (hatua ya kati) kulisababisha ongezeko la nishati ya kinetiki ya kinu cha mpira, na kusababisha kuoza kwa unga wa mchanganyiko kuwa poda laini zaidi (chini ya 200 µm), kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3c, d. Katika hili Hatua ya 1, nguvu ya kukata inayotumika husababisha uundaji wa uso mpya wa chuma wenye tabaka laini za Cu, Zr, Ni, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3c, d. Kama matokeo ya uboreshaji wa safu, athari za awamu imara hutokea kwenye kiolesura cha vipande ili kutoa awamu mpya.
Katika kilele cha mchakato wa MA (baada ya saa 50), metallografia yenye madoadoa ilionekana kidogo tu (Mchoro 3e,f), lakini uso uliong'arishwa wa unga ulionyesha metallografia ya kioo. Hii ina maana kwamba mchakato wa MA umekamilika na uundaji wa awamu moja ya mmenyuko umetokea. Muundo wa elementi wa maeneo yaliyoorodheshwa katika Mchoro 3e (I, II, III), f, v, vi) ulibainishwa kwa kutumia hadubini ya elektroni ya skanning ya uzalishaji wa shambani (FE-SEM) pamoja na spektroskopia ya X-ray inayotawanya nishati (EDS) (IV).
Katika Jedwali la 2, viwango vya elementi vya vipengele vya aloi vinaonyeshwa kama asilimia ya uzito wa jumla wa kila eneo lililochaguliwa katika Mchoro 3e, f. Unapolinganisha matokeo haya na michanganyiko ya awali ya Cu50Zr20Ni30 na Cu50Zr40Ni10 iliyoorodheshwa katika Jedwali la 1, inaweza kuonekana kwamba michanganyiko ya bidhaa hizi mbili za mwisho ina thamani sawa na michanganyiko ya kawaida. Zaidi ya hayo, thamani za vipengele vinavyohusiana kwa maeneo yaliyoorodheshwa katika Mchoro 3e, f hazimaanishi kuzorota au kushuka kwa thamani kubwa katika muundo wa kila sampuli kutoka eneo moja hadi jingine. Hii inathibitishwa na ukweli kwamba hakuna mabadiliko katika muundo kutoka eneo moja hadi jingine. Hii inaelekeza kwenye uzalishaji wa poda za aloi zenye umbo moja, kama inavyoonyeshwa katika Jedwali la 2.
Mikrografu za FE-SEM za unga wa bidhaa ya mwisho wa Cu50(Zr50−xNix) zilipatikana baada ya mara 50 za MA, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 4a–d, ambapo x ni 10, 20, 30 na 40 kwa.%, mtawalia. Baada ya hatua hii ya kusaga, unga hukusanyika kutokana na athari ya van der Waals, na kusababisha uundaji wa mkusanyiko mkubwa unaojumuisha chembe ndogo sana zenye kipenyo cha kuanzia 73 hadi 126 nm, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 4.
Sifa za kimofolojia za poda za Cu50(Zr50−xNix) zilizopatikana baada ya muda wa MA wa saa 50. Kwa mifumo ya Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, picha za FE-SEM za poda zilizopatikana baada ya mara 50 za MA zinaonyeshwa katika (a), (b), (c) na (d), mtawalia.
Kabla ya kupakia unga kwenye kichujio baridi cha kunyunyizia, kwanza ziliwekwa kwenye ethanoli ya kiwango cha uchambuzi kwa dakika 15 na kisha zikaushwa kwa 150°C kwa saa 2. Hatua hii lazima ichukuliwe ili kupambana na msongamano ambao mara nyingi husababisha matatizo mengi muhimu katika mchakato mzima wa mipako. Baada ya mchakato wa MA kukamilika, uainishaji zaidi ulifanyika ili kuchunguza usawa wa unga wa aloi. Mchoro 5a–d unaonyesha mikrografu za FE-SEM na picha zinazolingana za EDS za vipengele vya aloi za Cu, Zr na Ni za aloi ya Cu50Zr30Ni20 zilizopatikana baada ya saa 50 za muda wa M, mtawalia. Ikumbukwe kwamba unga wa aloi unaozalishwa baada ya hatua hii ni sawa kwani hauonyeshi mabadiliko yoyote ya utunzi zaidi ya kiwango cha chini cha nanomita, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 5.
Mofolojia na usambazaji wa elementi za ndani za unga wa MG Cu50Zr30Ni20 uliopatikana baada ya mara 50 za MA kwa kutumia spektroskopia ya X-ray ya FE-SEM/energy dispersive (EDS).(a) Ramani ya SEM na X-ray EDS ya (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα na (d) picha za Ni-Kα.
Mifumo ya XRD ya poda za Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 zilizochanganywa kwa njia ya kiufundi zilizopatikana baada ya muda wa MA wa saa 50 zinaonyeshwa kwenye Mchoro 6a–d, mtawalia. Baada ya hatua hii ya kusaga, sampuli zote zenye viwango tofauti vya Zr zilionyesha miundo isiyo na umbo lenye mifumo ya uenezaji wa halo inayoonyeshwa kwenye Mchoro 6.
Mifumo ya XRD ya (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 na (d) poda za Cu50Zr20Ni30 baada ya muda wa MA wa saa 50. Sampuli zote bila ubaguzi zilionyesha muundo wa uenezaji wa halo, ikimaanisha uundaji wa awamu isiyo na umbo.
Hadubini ya elektroni ya upitishaji wa ubora wa juu wa utoaji wa hewa shambani (FE-HRTEM) ilitumika kuchunguza mabadiliko ya kimuundo na kuelewa muundo wa ndani wa poda zinazotokana na kusaga mpira kwa nyakati tofauti za MA. Picha za FE-HRTEM za poda zilizopatikana baada ya hatua za mapema (saa 6) na za kati (saa 18) za kusaga kwa poda za Cu50Zr30Ni20 na Cu50Zr40Ni10 zinaonyeshwa kwenye Mchoro 7a, c, mtawalia. Kulingana na picha angavu ya uwanjani (BFI) ya poda iliyozalishwa baada ya MA​ saa 6, poda imeundwa na chembe kubwa zenye mipaka iliyofafanuliwa vizuri ya vipengele fcc-Cu, hcp-Zr na fcc-Ni, na hakuna ishara kwamba awamu ya mmenyuko imeundwa, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 7a. Zaidi ya hayo, muundo wa mtawanyiko wa eneo lililochaguliwa (SADP) uliochukuliwa kutoka eneo la kati la (a) ulifunua muundo wa mtawanyiko wa cusp (Mchoro 7b), unaoonyesha uwepo wa fuwele kubwa na kutokuwepo kwa awamu tendaji.
Uainishaji wa kimuundo wa ndani wa unga wa MA uliopatikana baada ya hatua za mapema (saa 6) na za kati (saa 18).(a) Hadubini ya elektroni ya upitishaji wa ubora wa juu wa utoaji wa hewa shambani (FE-HRTEM), na (b) muundo unaolingana wa mtawanyiko wa eneo lililochaguliwa (SADP) wa unga wa Cu50Zr30Ni20 baada ya matibabu ya MA kwa saa 6. Picha ya FE-HRTEM ya Cu50Zr40Ni10 iliyopatikana baada ya muda wa MA wa saa 18 imeonyeshwa katika (c).
Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 7c, kuongeza muda wa MA hadi saa 18 kulisababisha kasoro kali za kimiani pamoja na umbo la plastiki. Wakati wa hatua hii ya kati ya mchakato wa MA, unga huonyesha kasoro mbalimbali, ikiwa ni pamoja na kasoro za mrundikano, kasoro za kimiani, na kasoro za nukta (Mchoro 7). Kasoro hizi husababisha chembe kubwa kugawanyika kando ya mipaka ya chembe zao kuwa chembe ndogo zenye ukubwa chini ya nm 20 (Mchoro 7c).
Muundo wa ndani wa unga wa Cu50Z30Ni20 uliosagwa kwa saa 36 za muda wa MA una uundaji wa nanonaini laini zilizowekwa kwenye matrix laini isiyo na umbo, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 8a. Uchambuzi wa ndani wa EDS ulionyesha kuwa makundi hayo ya nanona yaliyoonyeshwa kwenye Mchoro 8a yalihusishwa na vipengele vya uchanganyaji wa unga wa Cu, Zr na Ni ambavyo havijasindikwa. Wakati huo huo, kiwango cha Cu cha matrix kilibadilika kutoka ~32 at.% (eneo konda) hadi ~74 at.% (eneo tajiri), ikionyesha uundaji wa bidhaa tofauti. Zaidi ya hayo, SADP zinazolingana za unga zilizopatikana baada ya kusaga katika hatua hii zinaonyesha pete za msingi na za sekondari zinazosambaa halo za awamu isiyo na umbo, zikiingiliana na ncha kali zinazohusiana na vipengele hivyo vya uchanganyaji mbichi, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 8b.
Zaidi ya 36 h-Cu50Zr30Ni20 poda ndogo vipengele vya kimuundo vya ndani.(a) Picha angavu ya uwanjani (BFI) na (b) SADP ya unga wa Cu50Zr30Ni20 iliyopatikana baada ya kusaga kwa saa 36 MA muda.
Karibu na mwisho wa mchakato wa MA (saa 50), poda za Cu50(Zr50−xNix), X; 10, 20, 30 na 40 at.% huwa na mofolojia ya awamu isiyo na umbo la labirintini kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 9a–d. Katika SADP inayolingana ya kila muundo, hakuna mifereji inayofanana na nukta wala mifumo mikali ya annular iliyoweza kugunduliwa. Hii inaonyesha kwamba hakuna chuma cha fuwele ambacho hakijasindikwa kilichopo, bali ni poda ya aloi isiyo na umbo inayoundwa. SADP hizi zinazohusiana zinazoonyesha mifumo ya uenezaji wa halo pia zilitumika kama ushahidi wa maendeleo ya awamu zisizo na umbo katika nyenzo ya mwisho ya bidhaa.
Muundo wa ndani wa bidhaa ya mwisho ya mfumo wa MG Cu50 (Zr50−xNix). FE-HRTEM na mifumo ya mtawanyiko wa nanobeam inayohusiana (NBDP) ya (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 na (d) Cu50Zr10Ni40 iliyopatikana baada ya saa 50 za MA.
Uthabiti wa joto wa halijoto ya mpito ya kioo (Tg), eneo la kioevu kilichopozwa chini (ΔTx) na halijoto ya fuwele (Tx) kama kigezo cha kiwango cha Ni (x) cha mfumo wa Cu50(Zr50−xNix) usio na umbo umechunguzwa kwa kutumia skanning tofauti ya Kalorimetri (DSC) ya sifa chini ya mtiririko wa gesi ya He. Athari za DSC za poda za aloi zisizo na umbo la Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 na Cu50Zr10Ni40 zilizopatikana baada ya muda wa MA wa saa 50 zinaonyeshwa kwenye Mchoro 10a, b, e, mtawalia. Huku mkunjo wa DSC wa Cu50Zr20Ni30 usio na umbo unaonyeshwa kando kwenye Mchoro 10c. Wakati huo huo, sampuli ya Cu50Zr30Ni20 iliyopashwa joto hadi ~700 °C katika DSC inaonyeshwa kwenye Mchoro 10d.
Uthabiti wa joto wa poda za Cu50(Zr50−xNix) MG zilizopatikana baada ya muda wa MA wa saa 50, kama ilivyoainishwa na halijoto ya mpito ya kioo (Tg), halijoto ya fuwele (Tx), na eneo la kioevu kilichopozwa chini ya halijoto (ΔTx). Vipimo tofauti vya joto vya skanning calorimeter (DSC) vya (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 na (e) poda za aloi za Cu50Zr10Ni40 MG baada ya muda wa MA wa saa 50. Muundo wa diffraction ya X-ray (XRD) wa sampuli ya Cu50Zr30Ni20 iliyowashwa hadi ~700 °C katika DSC unaonyeshwa katika (d).
Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 10, mikunjo ya DSC ya michanganyiko yote yenye viwango tofauti vya Ni (x) inaonyesha visa viwili tofauti, kimoja cha endothermiki na kingine cha exothermiki. Tukio la kwanza la endothermiki linalingana na Tg, huku la pili likihusiana na Tx. Eneo la mlalo la span lililopo kati ya Tg na Tx linaitwa eneo la kioevu kilichopozwa (ΔTx = Tx - Tg). Matokeo yanaonyesha kuwa Tg na Tx ya sampuli ya Cu50Zr40Ni10 (Mchoro 10a), iliyowekwa kwenye 526°C na 612°C, huhamisha maudhui (x) hadi 20 at.% kuelekea upande wa joto la chini wa 482°C na 563°C huku maudhui ya Ni (x) yakiongezeka, mtawalia, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 10b. Kwa hivyo, ΔTx ya Cu50Zr40Ni10 hupungua kutoka 86°C (Mchoro 10a) hadi 81°C kwa Cu50Zr30Ni20 (Mchoro 10). 10b).Kwa aloi ya MG Cu50Zr40Ni10, pia ilibainika kuwa thamani za Tg, Tx na ΔTx zilipungua hadi kiwango cha 447°C, 526°C na 79°C (Mchoro 10b). Hii inaonyesha kwamba ongezeko la kiwango cha Ni husababisha kupungua kwa utulivu wa joto wa aloi ya MG. Kwa upande mwingine, thamani ya Tg (507 °C) ya aloi ya MG Cu50Zr20Ni30 ni ya chini kuliko ile ya aloi ya MG Cu50Zr40Ni10; hata hivyo, Tx yake inaonyesha thamani inayolingana na ile ya kwanza (612 °C). Kwa hivyo, ΔTx inaonyesha thamani ya juu zaidi (87°C), kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 10c.
Mfumo wa MG Cu50(Zr50−xNix), kwa kuchukua aloi ya MG Cu50Zr20Ni30 kama mfano, huganda kupitia kilele kikali cha exothermiki hadi awamu za fuwele za fcc-ZrCu5, orthorhombic-Zr7Cu10 na orthorhombic-ZrNi (Mchoro 10c). Mpito huu wa awamu isiyo na umbo hadi fuwele ulithibitishwa na XRD ya sampuli ya MG (Mchoro 10d), ambayo ilipashwa joto hadi 700 °C katika DSC.
Mchoro 11 unaonyesha picha zilizopigwa wakati wa mchakato wa kunyunyizia baridi uliofanywa katika kazi ya sasa. Katika utafiti huu, chembe za unga wa chuma kama glasi zilizotengenezwa baada ya muda wa MA wa saa 50 (kuchukua Cu50Zr20Ni30 kama mfano) zilitumika kama malighafi ya kuua bakteria, na bamba la chuma cha pua (SUS304) lilifunikwa na teknolojia ya kunyunyizia baridi. Njia ya kunyunyizia baridi ilichaguliwa kwa ajili ya kunyunyizia katika mfululizo wa teknolojia ya kunyunyizia joto kwa sababu ndiyo njia bora zaidi katika mfululizo wa kunyunyizia joto na inaweza kutumika kwa vifaa nyeti vya halijoto vinavyoweza kubadilika vya chuma kama vile poda zisizo na umbo na nanocrystalline, ambazo hazibadilishwi na mabadiliko ya awamu. Hii ndiyo sababu kuu katika kuchagua njia hii. Mchakato wa kunyunyizia baridi unafanywa kwa kutumia chembe zenye kasi kubwa zinazobadilisha nishati ya kinetiki ya chembe kuwa umbo la plastiki, mkazo na joto linapogusana na substrate au chembe zilizowekwa hapo awali.
Picha za shambani zinaonyesha utaratibu wa kunyunyizia dawa kwa baridi uliotumika kwa maandalizi matano mfululizo ya mipako ya MG/SUS 304 kwa 550 °C.
Nishati ya kinetiki ya chembe, na hivyo kasi ya kila chembe katika uundaji wa mipako, lazima ibadilishwe kuwa aina zingine za nishati kupitia mifumo kama vile uundaji wa plastiki (mwingiliano wa awali wa chembe na chembe-chembe katika mwingiliano wa substrate na chembe), utupu wa Muunganiko, mzunguko wa chembe-chembe, mkazo na hatimaye joto 39. Zaidi ya hayo, ikiwa sio nishati yote ya kinetiki inayoingia hubadilishwa kuwa nishati ya joto na mkazo, matokeo yake ni mgongano wa elastic, ambayo ina maana kwamba chembe hurudi nyuma tu baada ya mgongano. Imeelezwa kuwa 90% ya nishati ya mgongano inayotumika kwenye nyenzo ya chembe/substrate hubadilishwa kuwa joto la ndani 40. Zaidi ya hayo, wakati mkazo wa mgongano unatumika, viwango vya juu vya mkazo wa plastiki hupatikana katika eneo la mguso/substrate kwa muda mfupi sana 41,42.
Uundaji wa plastiki kwa ujumla huchukuliwa kama mchakato wa utengano wa nishati, au haswa, chanzo cha joto katika eneo la uso.Hata hivyo, ongezeko la joto katika eneo la uso kwa kawaida halitoshi kusababisha kuyeyuka kwa uso au kukuza kwa kiasi kikubwa uenezaji wa atomiki.Hakuna chapisho linalojulikana kwa waandishi linalochunguza athari za sifa za unga huu wa kioo wa metali kwenye mshikamano na utuaji wa unga unaotokea wakati njia za kunyunyizia baridi zinatumiwa.
BFI ya unga wa aloi ya MG Cu50Zr20Ni30 inaweza kuonekana katika Mchoro 12a, ambao ulifunikwa kwenye substrate ya SUS 304 (Michoro 11, 12b). Kama inavyoonekana kutoka kwa mchoro, poda zilizofunikwa hudumisha muundo wao wa asili usio na umbo kwani zina muundo maridadi wa labirinti bila sifa zozote za fuwele au kasoro za kimiani. Kwa upande mwingine, picha inaonyesha uwepo wa awamu ya nje, kama inavyopendekezwa na chembe chembe ndogo zilizojumuishwa kwenye matrix ya unga iliyofunikwa na MG (Mchoro 12a). Mchoro 12c unaonyesha muundo wa utengamano wa nanobeam ulioorodheshwa (NBDP) unaohusishwa na eneo I (Mchoro 12a). Kama inavyoonyeshwa katika Mchoro 12c, NBDP inaonyesha muundo dhaifu wa uenezaji wa halo wa muundo usio na umbo na hukaa pamoja na viraka vikali vinavyolingana na awamu kubwa ya ujazo ya Zr2Ni metastable pamoja na tetragonal CuO. Uundaji wa CuO unaweza kuhusishwa na oxidation ya unga wakati wa kusafiri kutoka pua ya bunduki ya kunyunyizia hadi SUS. 304 hewani wazi chini ya mtiririko wa supersonic. Kwa upande mwingine, ugawaji wa vioksidishaji wa poda za kioo za metali ulifanikisha uundaji wa awamu kubwa za ujazo baada ya matibabu ya kunyunyizia baridi kwa 550 °C kwa dakika 30.
(a) Picha ya FE-HRTEM ya unga wa MG uliopakwa kwenye (b) substrate ya SUS 304 (kipande cha picha). Kielezo cha NBDP cha alama ya mviringo iliyoonyeshwa katika (a) kinaonyeshwa katika (c).
Ili kuthibitisha utaratibu huu unaowezekana wa uundaji wa chembechembe kubwa za Zr2Ni za ujazo, jaribio huru lilifanywa. Katika jaribio hili, poda zilinyunyiziwa kutoka kwa bunduki ya kunyunyizia kwa 550 °C kuelekea substrate ya SUS 304; hata hivyo, ili kufafanua athari ya kunyunyizia poda, ziliondolewa kutoka kwenye ukanda wa SUS304 haraka iwezekanavyo (kama sekunde 60). Seti nyingine ya majaribio ilifanywa ambapo poda iliondolewa kutoka kwenye substrate yapata sekunde 180 baada ya kuwekwa.
Michoro 13a,b inaonyesha picha za uwanja mweusi (DFI) zilizopatikana kwa kuchanganua hadubini ya elektroni ya upitishaji (STEM) ya vifaa viwili vilivyonyunyiziwa vilivyowekwa kwenye substrates za SUS 304 kwa sekunde 60 na 180, mtawalia. Picha ya unga iliyowekwa kwa sekunde 60 haina maelezo ya kimofolojia, ikionyesha kutokuwa na sifa (Mchoro 13a). Hii pia ilithibitishwa na XRD, ambayo ilionyesha kuwa muundo wa jumla wa poda hizi ulikuwa usio na umbo, kama inavyoonyeshwa na upeo mpana wa uenezaji wa msingi na sekondari unaoonyeshwa kwenye Mchoro 14a. Hizi zinaonyesha kutokuwepo kwa mvua inayoweza kubadilika/mesophase, ambapo unga huhifadhi muundo wake wa asili usio na umbo. Kwa upande mwingine, unga ulionyunyiziwa kwa joto sawa (550 °C), lakini ukaachwa kwenye substrate kwa sekunde 180, ulionyesha mvua ya nano-size, kama inavyoonyeshwa na mishale kwenye Mchoro 13b.