Nature.comను సందర్శించినందుకు ధన్యవాదాలు. మీరు ఉపయోగిస్తున్న బ్రౌజర్ వెర్షన్‌లో CSSకు పరిమిత మద్దతు ఉంది. ఉత్తమ అనుభవం కోసం, మీరు అప్‌డేట్ చేయబడిన బ్రౌజర్‌ను ఉపయోగించాలని (లేదా ఇంటర్నెట్ ఎక్స్‌ప్లోరర్‌లో కంపాటిబిలిటీ మోడ్‌ను ఆఫ్ చేయాలని) మేము సిఫార్సు చేస్తున్నాము. ఈలోగా, మద్దతు కొనసాగేలా చూసేందుకు, మేము ఈ సైట్‌ను స్టైల్స్ మరియు జావాస్క్రిప్ట్ లేకుండా ప్రదర్శిస్తాము.
దీర్ఘకాలిక ఇన్ఫెక్షన్ల అభివృద్ధిలో బయోఫిల్మ్‌లు ఒక ముఖ్యమైన భాగం, ముఖ్యంగా వైద్య పరికరాలు ప్రమేయం ఉన్నప్పుడు. ఈ సమస్య వైద్య సమాజానికి ఒక పెద్ద సవాలుగా ఉంది, ఎందుకంటే ప్రామాణిక యాంటీబయాటిక్స్ బయోఫిల్మ్‌లను చాలా పరిమిత స్థాయిలో మాత్రమే నిర్మూలించగలవు. బయోఫిల్మ్ ఏర్పడటాన్ని నివారించడం వివిధ కోటింగ్ పద్ధతులు మరియు కొత్త పదార్థాల అభివృద్ధికి దారితీసింది. ఈ పద్ధతులు బయోఫిల్మ్ ఏర్పడటాన్ని నిరోధించే విధంగా ఉపరితలాలకు పూత పూయడాన్ని లక్ష్యంగా పెట్టుకున్నాయి. లోహ గాజు మిశ్రమాలు, ముఖ్యంగా రాగి మరియు టైటానియం లోహాలను కలిగి ఉన్నవి, ఆదర్శవంతమైన యాంటీమైక్రోబయల్ కోటింగ్‌లుగా ఉద్భవించాయి. అదే సమయంలో, ఉష్ణోగ్రత-సున్నితమైన పదార్థాలను ప్రాసెస్ చేయడానికి ఇది ఒక అనువైన పద్ధతి కావడంతో కోల్డ్ స్ప్రే టెక్నాలజీ వాడకం పెరిగింది. మెకానికల్ అల్లాయింగ్ టెక్నిక్‌లను ఉపయోగించి, టెర్నరీ Cu-Zr-Ni తో కూడిన మెటాలిక్ గ్లాస్ అనే ఒక నూతన యాంటీ బాక్టీరియల్ ఫిల్మ్‌ను అభివృద్ధి చేయడం ఈ అధ్యయనం యొక్క ఉద్దేశ్యాలలో ఒకటి. తుది ఉత్పత్తిని తయారుచేసే గోళాకార పొడిని, తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద స్టెయిన్‌లెస్ స్టీల్ ఉపరితలాలకు కోల్డ్ స్ప్రే కోటింగ్ చేయడానికి ముడి పదార్థంగా ఉపయోగిస్తారు. స్టెయిన్‌లెస్ స్టీల్‌తో పోలిస్తే, మెటాలిక్ గ్లాస్‌తో పూత పూసిన సబ్‌స్ట్రేట్‌లు బయోఫిల్మ్ ఏర్పడటాన్ని కనీసం 1 లాగ్ వరకు గణనీయంగా తగ్గించగలిగాయి.
మానవ చరిత్ర అంతటా, ప్రతి సమాజం తన నిర్దిష్ట అవసరాలకు అనుగుణంగా నూతన పదార్థాలను రూపొందించి, వాటి పరిచయాన్ని ప్రోత్సహించగలిగింది. దీని ఫలితంగా ప్రపంచీకరణ చెందిన ఆర్థిక వ్యవస్థలో మెరుగైన పనితీరు మరియు ర్యాంకింగ్ సాధ్యమయ్యాయి. ఆరోగ్యం, విద్య, పరిశ్రమ, ఆర్థిక శాస్త్రం, సంస్కృతి మరియు ఇతర రంగాలలో ఒక దేశం లేదా ప్రాంతం నుండి మరొక దేశం లేదా ప్రాంతానికి పురోగతి సాధించడం అనేది ఎల్లప్పుడూ పదార్థాలు, తయారీ పరికరాలు, పదార్థాల తయారీ మరియు లక్షణాల నిర్ధారణ కోసం రూపకల్పనలను అభివృద్ధి చేసే మానవ సామర్థ్యానికే ఆపాదించబడింది. పురోగతిని దేశం లేదా ప్రాంతంతో సంబంధం లేకుండా కొలుస్తారు. 60 సంవత్సరాలుగా, పదార్థ శాస్త్రవేత్తలు తమ సమయాన్ని ఎక్కువగా ఒక ప్రధాన అంశంపై కేంద్రీకరించారు: నూతన మరియు అత్యాధునిక పదార్థాల అన్వేషణ. ఇటీవలి పరిశోధనలు ఇప్పటికే ఉన్న పదార్థాల నాణ్యత మరియు పనితీరును మెరుగుపరచడంపై, అలాగే పూర్తిగా కొత్త రకాల పదార్థాలను సంశ్లేషణ చేయడం మరియు ఆవిష్కరించడంపై దృష్టి సారించాయి.
మిశ్రణ మూలకాలను జోడించడం, పదార్థం యొక్క సూక్ష్మ నిర్మాణాన్ని సవరించడం, మరియు ఉష్ణ, యాంత్రిక లేదా ఉష్ణ-యాంత్రిక ప్రాసెసింగ్ పద్ధతులను అనువర్తించడం వంటివి వివిధ రకాల పదార్థాల యాంత్రిక, రసాయన మరియు భౌతిక లక్షణాలలో గణనీయమైన మెరుగుదలలకు దారితీశాయి. అంతేకాకుండా, ఈ దశలో ఇంతకు ముందెన్నడూ వినని సమ్మేళనాలను విజయవంతంగా సంశ్లేషణ చేశారు. ఈ నిరంతర ప్రయత్నాలు వినూత్న పదార్థాల యొక్క ఒక కొత్త వర్గానికి దారితీశాయి, వీటిని సమిష్టిగా అధునాతన పదార్థాలు2 అని పిలుస్తారు. నానోక్రిస్టల్స్, నానోపార్టికల్స్, నానోట్యూబ్స్, క్వాంటం డాట్స్, జీరో-డైమెన్షనల్, అమార్ఫస్ మెటాలిక్ గ్లాసెస్, మరియు హై-ఎంట్రోపీ మిశ్రమాలు అనేవి గత శతాబ్దం మధ్యకాలం నుండి ప్రపంచంలోకి ప్రవేశపెట్టబడిన అధునాతన పదార్థాలకు కొన్ని ఉదాహరణలు మాత్రమే. ఉన్నతమైన లక్షణాలతో కొత్త మిశ్రమలోహాలను తయారుచేసేటప్పుడు మరియు అభివృద్ధి చేసేటప్పుడు, తుది ఉత్పత్తిలో లేదా దాని ఉత్పత్తి యొక్క మధ్యంతర దశలలో, తరచుగా అసమతుల్యత సమస్య ఎదురవుతుంది. సమతుల్యత నుండి గణనీయంగా విచలనం చెందడానికి కొత్త తయారీ పద్ధతులను అమలు చేయడం ఫలితంగా, మెటాలిక్ గ్లాసెస్ అని పిలువబడే మెటాస్టేబుల్ మిశ్రమలోహాల యొక్క ఒక సరికొత్త వర్గం కనుగొనబడింది.
1960లో కాల్టెక్‌లో ఆయన చేసిన కృషి, లోహ మిశ్రమాల భావనలో ఒక విప్లవాన్ని తీసుకువచ్చింది. ఆయన ద్రవాలను సెకనుకు దాదాపు పది లక్షల డిగ్రీల వేగంతో ఘనీభవింపజేసి, గాజులాంటి Au-25 at.% Si మిశ్రమలోహాలను సంశ్లేషణ చేశారు. ప్రొఫెసర్ పోల్ డువెజ్ యొక్క ఈ ఆవిష్కరణ, మెటాలిక్ గ్లాసెస్ (MG) చరిత్రకు నాంది పలకడమే కాకుండా, లోహ మిశ్రమాల గురించి ప్రజలు ఆలోచించే విధానంలో ఒక సమూల మార్పుకు దారితీసింది. MG మిశ్రమలోహాల సంశ్లేషణలో తొలి మార్గదర్శక అధ్యయనాల నుండి, దాదాపు అన్ని మెటాలిక్ గ్లాసెస్ పూర్తిగా ఈ క్రింది పద్ధతులలో ఒకదానిని ఉపయోగించి ఉత్పత్తి చేయబడ్డాయి; (i) ద్రవరూపం లేదా ఆవిరిని వేగంగా ఘనీభవించడం, (ii) లాటిస్ యొక్క పరమాణు క్రమరాహిత్యం, (iii) స్వచ్ఛమైన లోహ మూలకాల మధ్య ఘనస్థితిలో జరిగే అమార్ఫైజేషన్ చర్యలు, మరియు (iv) అస్థిర దశల ఘనస్థితి పరివర్తనాలు.
స్ఫటికాల యొక్క నిర్వచించే లక్షణమైన దీర్ఘ-శ్రేణి పరమాణు క్రమం, మెటాలిక్ గ్లాస్‌లలో లోపించడం వాటి ప్రత్యేకత. నేటి ప్రపంచంలో, మెటాలిక్ గ్లాస్ రంగంలో గొప్ప పురోగతి సాధించబడింది. ఇవి ఆసక్తికరమైన లక్షణాలతో కూడిన నూతన పదార్థాలు, ఇవి కేవలం సాలిడ్-స్టేట్ ఫిజిక్స్‌లోనే కాకుండా, మెటలర్జీ, సర్ఫేస్ కెమిస్ట్రీ, టెక్నాలజీ, బయాలజీ మరియు అనేక ఇతర రంగాలలో కూడా ఆసక్తిని కలిగిస్తున్నాయి. ఈ కొత్త రకం పదార్థం ఘన లోహాల నుండి విభిన్నమైన లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తుంది, ఇది వివిధ రంగాలలో సాంకేతిక అనువర్తనాలకు ఒక ఆసక్తికరమైన అభ్యర్థిగా నిలుస్తుంది. వీటికి కొన్ని ముఖ్యమైన లక్షణాలు ఉన్నాయి; (i) అధిక యాంత్రిక డక్టిలిటీ మరియు యీల్డ్ స్ట్రెంగ్త్, (ii) అధిక అయస్కాంత పారగమ్యత, (iii) తక్కువ కోయెర్సివిటీ, (iv) అసాధారణ తుప్పు నిరోధకత, (v) ఉష్ణోగ్రత స్వాతంత్ర్యం. 6,7 యొక్క వాహకత్వం.
మెకానికల్ అల్లాయింగ్ (MA)1,8 అనేది సాపేక్షంగా ఒక కొత్త సాంకేతికత, దీనిని మొదటిసారిగా 19839లో ప్రొఫెసర్ సి.సి. కాక్ మరియు అతని సహచరులు ప్రవేశపెట్టారు. వారు గది ఉష్ణోగ్రతకు చాలా దగ్గరగా ఉండే పరిసర ఉష్ణోగ్రతల వద్ద స్వచ్ఛమైన మూలకాల మిశ్రమాన్ని రుబ్బడం ద్వారా నిరాకార Ni60Nb40 పొడులను తయారుచేశారు. సాధారణంగా, MA చర్యను, సాధారణంగా స్టెయిన్‌లెస్ స్టీల్‌తో తయారు చేయబడిన ఒక రియాక్టర్‌లో, బాల్ మిల్ 10 (పటం 1a, b) లోకి, చర్యలో పాల్గొనే పదార్థాల పొడులను వ్యాపన సంయోగం ద్వారా నిర్వహిస్తారు. అప్పటి నుండి, ఈ యాంత్రికంగా ప్రేరేపిత ఘన-స్థితి చర్య పద్ధతిని, తక్కువ (పటం 1c) మరియు అధిక శక్తి గల బాల్ మిల్లులు, అలాగే రాడ్ మిల్లులు11,12,13,14,15, 16 ఉపయోగించి నూతన నిరాకార/లోహ గాజు మిశ్రమలోహ పొడులను తయారు చేయడానికి ఉపయోగించారు. ప్రత్యేకించి, ఈ పద్ధతిని Cu-Ta17 వంటి కలవని వ్యవస్థలను, అలాగే Al-పరివర్తన లోహ వ్యవస్థలు (TM; Zr, Hf, Nb మరియు Ta)18,19 మరియు Fe-W20 వంటి అధిక ద్రవీభవన స్థానం గల మిశ్రమలోహాలను తయారు చేయడానికి ఉపయోగించారు, వీటిని సాంప్రదాయ తయారీ మార్గాల ద్వారా పొందలేము. అంతేకాకుండా, లోహ ఆక్సైడ్‌లు, కార్బైడ్‌లు, నైట్రైడ్‌ల యొక్క పారిశ్రామిక-స్థాయి నానోక్రిస్టలైన్ మరియు నానోకాంపోజిట్ పొడి కణాల తయారీకి MA అత్యంత శక్తివంతమైన నానోటెక్నాలజీ సాధనాలలో ఒకటిగా పరిగణించబడుతుంది. హైడ్రైడ్లు, కార్బన్ నానోట్యూబ్‌లు, నానోడైమండ్‌లు, అలాగే టాప్-డౌన్ విధానం 1 మరియు అస్థిర దశల ద్వారా విస్తృత స్థిరీకరణ.
ఈ అధ్యయనంలో Cu50(Zr50−xNix) మెటాలిక్ గ్లాస్ (MG) కోటింగ్/SUS 304ను తయారు చేయడానికి ఉపయోగించిన ఫ్యాబ్రికేషన్ పద్ధతిని చూపించే రేఖాచిత్రం. (a) తక్కువ శక్తి బాల్ మిల్లింగ్ టెక్నిక్‌ను ఉపయోగించి వివిధ Ni గాఢతలు x (x; 10, 20, 30 మరియు 40 అణు శాతం) కలిగిన MG మిశ్రమలోహ పొడుల తయారీ. (a) ప్రారంభ పదార్థాన్ని టూల్ స్టీల్ బంతులతో పాటు టూల్ సిలిండర్‌లో లోడ్ చేస్తారు, మరియు (b) He వాతావరణంతో నింపిన గ్లోవ్ బాక్స్‌లో సీల్ చేస్తారు. (c) గ్రైండింగ్ సమయంలో బంతి కదలికను వివరిస్తూ గ్రైండింగ్ పాత్ర యొక్క పారదర్శక నమూనా. 50 గంటల తర్వాత పొందిన పొడి యొక్క తుది ఉత్పత్తిని కోల్డ్ స్ప్రే పద్ధతిని ఉపయోగించి SUS 304 సబ్‌స్ట్రేట్‌కు కోటింగ్ చేయడానికి ఉపయోగించారు (d).
స్థూల పదార్థాల ఉపరితలాల (సబ్‌స్ట్రేట్‌ల) విషయానికి వస్తే, అసలు స్థూల పదార్థంలో లేని కొన్ని భౌతిక, రసాయన మరియు సాంకేతిక లక్షణాలను అందించడానికి ఉపరితలాలను (సబ్‌స్ట్రేట్‌లను) రూపకల్పన చేయడం మరియు సవరించడం సర్ఫేస్ ఇంజనీరింగ్‌లో భాగంగా ఉంటుంది. ఉపరితల చికిత్సల ద్వారా సమర్థవంతంగా మెరుగుపరచగల కొన్ని లక్షణాలలో రాపిడి నిరోధకత, ఆక్సీకరణ మరియు తుప్పు నిరోధకత, ఘర్షణ గుణకం, జీవ-జడత్వం, విద్యుత్ లక్షణాలు మరియు ఉష్ణ ఇన్సులేషన్ వంటివి కొన్ని. లోహశాస్త్ర, యాంత్రిక లేదా రసాయన పద్ధతులను ఉపయోగించి ఉపరితల నాణ్యతను మెరుగుపరచవచ్చు. ఒక సుప్రసిద్ధ ప్రక్రియగా, పూతను మరొక పదార్థంతో తయారు చేయబడిన స్థూల వస్తువు (సబ్‌స్ట్రేట్) యొక్క ఉపరితలంపై కృత్రిమంగా జమ చేయబడిన ఒకటి లేదా అంతకంటే ఎక్కువ పదార్థపు పొరలుగా నిర్వచించవచ్చు. అందువల్ల, కొన్ని కావలసిన సాంకేతిక లేదా అలంకార లక్షణాలను సాధించడానికి, అలాగే పరిసర పర్యావరణంతో ఆశించిన రసాయన మరియు భౌతిక పరస్పర చర్యల నుండి పదార్థాలను రక్షించడానికి పూతలను ఉపయోగిస్తారు.
కొన్ని మైక్రోమీటర్ల (10-20 మైక్రోమీటర్ల కంటే తక్కువ) నుండి 30 మైక్రోమీటర్లకు పైగా లేదా కొన్ని మిల్లీమీటర్ల వరకు మందంతో తగిన ఉపరితల రక్షణ పొరలను పూయడానికి, అనేక పద్ధతులు మరియు సాంకేతికతలను ఉపయోగించవచ్చు. సాధారణంగా, కోటింగ్ ప్రక్రియలను రెండు వర్గాలుగా విభజించవచ్చు: (i) వెట్ కోటింగ్ పద్ధతులు, వీటిలో ఎలక్ట్రోప్లేటింగ్, ఎలక్ట్రోలెస్ ప్లేటింగ్, మరియు హాట్-డిప్ గాల్వనైజింగ్ పద్ధతులు ఉన్నాయి, మరియు (ii) డ్రై కోటింగ్ పద్ధతులు, వీటిలో బ్రేజింగ్, సర్ఫేసింగ్, ఫిజికల్ వేపర్ డిపోజిషన్ (PVD), కెమికల్ వేపర్ డిపోజిషన్ (CVD), థర్మల్ స్ప్రే టెక్నిక్స్ మరియు ఇటీవలి కాలంలో కోల్డ్ స్ప్రే టెక్నిక్స్ 24 (Fig. 1d) ఉన్నాయి.
బయోఫిల్మ్‌లు అంటే ఉపరితలాలకు శాశ్వతంగా అతుక్కుని, స్వయంగా ఉత్పత్తి చేసుకున్న ఎక్స్‌ట్రాసెల్యులార్ పాలిమర్‌ల (EPS)తో చుట్టుముట్టబడిన సూక్ష్మజీవుల సముదాయాలుగా నిర్వచించబడ్డాయి. ఉపరితలంపై పరిపక్వంగా ఏర్పడిన బయోఫిల్మ్, ఆహార పరిశ్రమ, నీటి వ్యవస్థలు మరియు ఆరోగ్య సంరక్షణ వాతావరణాలతో సహా అనేక పారిశ్రామిక రంగాలలో గణనీయమైన నష్టాలకు దారితీస్తుంది. మానవులలో, బయోఫిల్మ్‌లు ఏర్పడినప్పుడు, 80% కంటే ఎక్కువ సూక్ష్మజీవుల సంక్రమణ కేసులకు (ఎంటరోబాక్టీరియేసి మరియు స్టెఫిలోకాకైతో సహా) చికిత్స చేయడం కష్టమవుతుంది. అంతేకాకుండా, ప్లాంక్టోనిక్ బాక్టీరియా కణాలతో పోలిస్తే, పరిపక్వ బయోఫిల్మ్‌లు యాంటీబయాటిక్ చికిత్సకు 1000 రెట్లు ఎక్కువ నిరోధకతను కలిగి ఉన్నాయని నివేదించబడింది, ఇది ఒక ప్రధాన చికిత్సా సవాలుగా పరిగణించబడుతుంది. సాంప్రదాయ సేంద్రీయ సమ్మేళనాల నుండి తీసుకోబడిన యాంటీమైక్రోబయల్ ఉపరితల పూత పదార్థాలు చారిత్రాత్మకంగా ఉపయోగించబడ్డాయి. అటువంటి పదార్థాలు తరచుగా మానవులకు ప్రమాదకరమైన విషపూరిత భాగాలను కలిగి ఉన్నప్పటికీ,25,26 ఇది బాక్టీరియా వ్యాప్తిని మరియు పదార్థ నాశనాన్ని నివారించడంలో సహాయపడవచ్చు.
బయోఫిల్మ్ ఏర్పడటం వలన యాంటీబయాటిక్ చికిత్సలకు బ్యాక్టీరియాలో విస్తృతంగా నిరోధకత ఏర్పడటంతో, సురక్షితంగా పూయగల సమర్థవంతమైన యాంటీమైక్రోబయల్ పొర పూత పూసిన ఉపరితలాన్ని అభివృద్ధి చేయవలసిన అవసరం ఏర్పడింది27. బ్యాక్టీరియా కణాలు అంటుకోవడం వలన బయోఫిల్మ్‌లను నిర్మించకుండా నిరోధించే భౌతిక లేదా రసాయన అంటుకోని ఉపరితలాన్ని అభివృద్ధి చేయడం ఈ ప్రక్రియలో మొదటి విధానం27. రెండవ సాంకేతికత ఏమిటంటే, యాంటీమైక్రోబయల్ రసాయనాలను అధిక సాంద్రతతో మరియు అనుకూలమైన పరిమాణాలలో, అవసరమైన చోట కచ్చితంగా అందించడానికి వీలు కల్పించే పూతలను అభివృద్ధి చేయడం. బ్యాక్టీరియాను నిరోధించే గ్రాఫేన్/జెర్మేనియం28, బ్లాక్ డైమండ్29 మరియు ZnO-డోప్డ్ డైమండ్-లైక్ కార్బన్ కోటింగ్స్30 వంటి ప్రత్యేకమైన పూత పదార్థాలను అభివృద్ధి చేయడం ద్వారా ఇది సాధించబడుతుంది. ఈ సాంకేతికత విషపూరితతను మరియు బయోఫిల్మ్ ఏర్పడటం వలన కలిగే నిరోధకత అభివృద్ధిని గణనీయంగా తగ్గిస్తుంది. అదనంగా, బ్యాక్టీరియా కాలుష్యం నుండి దీర్ఘకాలిక రక్షణను అందించడానికి ఉపరితలాలలో క్రిమిసంహారక రసాయనాలను చేర్చే పూతలు మరింత ప్రాచుర్యం పొందుతున్నాయి. ఈ మూడు పద్ధతులు పూత పూసిన ఉపరితలాలపై యాంటీమైక్రోబయల్ ప్రభావాలను ఉత్పత్తి చేయగల సామర్థ్యం కలిగి ఉన్నప్పటికీ, అప్లికేషన్ వ్యూహాలను అభివృద్ధి చేసేటప్పుడు పరిగణించవలసిన వాటి స్వంత పరిమితులు ప్రతిదానికి ఉన్నాయి.
జీవసంబంధ క్రియాశీల పదార్థాల కోసం రక్షిత పూతలను విశ్లేషించడానికి మరియు పరీక్షించడానికి తగినంత సమయం లేకపోవడం వల్ల ప్రస్తుతం మార్కెట్లో ఉన్న ఉత్పత్తులు ఆటంకాలను ఎదుర్కొంటున్నాయి. తమ ఉత్పత్తులు వినియోగదారులకు ఆశించిన క్రియాత్మక అంశాలను అందిస్తాయని కంపెనీలు పేర్కొంటున్నాయి; అయితే, ఇది ప్రస్తుతం మార్కెట్లో ఉన్న ఉత్పత్తుల విజయానికి ఒక అడ్డంకిగా ఉంది. వినియోగదారులకు ఇప్పుడు అందుబాటులో ఉన్న చాలా వరకు యాంటీమైక్రోబయల్ చికిత్సలలో వెండి నుండి తీసుకోబడిన సమ్మేళనాలను ఉపయోగిస్తున్నారు. ఈ ఉత్పత్తులు వినియోగదారులను సూక్ష్మజీవుల యొక్క ప్రమాదకరమైన ప్రభావాల నుండి రక్షించడానికి అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి. వెండి సమ్మేళనాల యొక్క ఆలస్యమైన యాంటీమైక్రోబయల్ ప్రభావం మరియు దానితో సంబంధం ఉన్న విషపూరిత స్వభావం, తక్కువ హానికరమైన ప్రత్యామ్నాయాన్ని అభివృద్ధి చేయడానికి పరిశోధకులపై ఒత్తిడిని పెంచుతుంది36,37. ఇళ్లలోపల మరియు బయట పనిచేసే ఒక ప్రపంచవ్యాప్త యాంటీమైక్రోబయల్ పూతను సృష్టించడం ఇప్పటికీ ఒక కష్టతరమైన పనిగా నిరూపించబడుతోంది. దీనికి కారణం ఆరోగ్యం మరియు భద్రత రెండింటికీ సంబంధించిన ప్రమాదాలు. మానవులకు తక్కువ హాని కలిగించే యాంటీమైక్రోబయల్ ఏజెంట్‌ను కనుగొనడం మరియు దానిని ఎక్కువ కాలం నిల్వ ఉండే పూత పదార్థాలలో ఎలా పొందుపరచాలో గుర్తించడం అనేది అత్యంత ఆకాంక్షిత లక్ష్యం38. సరికొత్త యాంటీమైక్రోబయల్ మరియు యాంటీ-బయోఫిల్మ్ పదార్థాలు బాక్టీరియాను దగ్గరి పరిధిలో, ప్రత్యక్ష స్పర్శ ద్వారా లేదా క్రియాశీల ఏజెంట్ విడుదలైన తర్వాత చంపడానికి రూపొందించబడ్డాయి. అవి ప్రారంభ బాక్టీరియా అంటుకోవడాన్ని నిరోధించడం ద్వారా (ఉపరితలంపై ప్రోటీన్ పొర ఏర్పడటాన్ని ఎదుర్కోవడంతో సహా) లేదా కణ గోడకు అంతరాయం కలిగించడం ద్వారా బాక్టీరియాను చంపగలవు.
ప్రాథమికంగా, ఉపరితల పూత అనేది ఉపరితల సంబంధిత లక్షణాలను మెరుగుపరచడానికి ఒక భాగం యొక్క ఉపరితలంపై మరొక పొరను ఉంచే ప్రక్రియ. ఉపరితల పూత యొక్క లక్ష్యం భాగం యొక్క ఉపరితలానికి సమీప ప్రాంతం యొక్క సూక్ష్మ నిర్మాణాన్ని మరియు/లేదా కూర్పును తీర్చిదిద్దడం39. ఉపరితల పూత పద్ధతులను వివిధ పద్ధతులుగా విభజించవచ్చు, అవి Fig. 2aలో సంగ్రహించబడ్డాయి. పూతను సృష్టించడానికి ఉపయోగించే పద్ధతిని బట్టి, పూతలను ఉష్ణ, రసాయన, భౌతిక మరియు విద్యుత్ రసాయన వర్గాలుగా ఉపవిభజన చేయవచ్చు.
(ఎ) ఉపరితలం కోసం ఉపయోగించే ప్రధాన ఫ్యాబ్రికేషన్ పద్ధతులను చూపించే ఇన్సెట్, మరియు (బి) కోల్డ్ స్ప్రే టెక్నిక్ యొక్క ఎంపిక చేసిన ప్రయోజనాలు మరియు అప్రయోజనాలు.
కోల్డ్ స్ప్రే టెక్నాలజీ సాంప్రదాయ థర్మల్ స్ప్రే పద్ధతులతో అనేక సారూప్యతలను పంచుకుంటుంది. అయినప్పటికీ, కోల్డ్ స్ప్రే ప్రక్రియను మరియు కోల్డ్ స్ప్రే పదార్థాలను ప్రత్యేకంగా విశిష్టంగా చేసే కొన్ని కీలకమైన ప్రాథమిక లక్షణాలు కూడా ఉన్నాయి. కోల్డ్ స్ప్రే టెక్నాలజీ ఇంకా శైశవ దశలోనే ఉంది, కానీ దీనికి ఉజ్వల భవిష్యత్తు ఉంది. కొన్ని అనువర్తనాలలో, కోల్డ్ స్ప్రే యొక్క విశిష్ట లక్షణాలు గొప్ప ప్రయోజనాలను అందిస్తాయి, సాధారణ థర్మల్ స్ప్రే పద్ధతుల యొక్క సహజ పరిమితులను అధిగమిస్తాయి. ఇది సాంప్రదాయ థర్మల్ స్ప్రే టెక్నాలజీ యొక్క ముఖ్యమైన పరిమితులను అధిగమించడానికి ఒక మార్గాన్ని అందిస్తుంది, దీనిలో సబ్‌స్ట్రేట్‌పై పూత వేయడానికి పొడిని కరిగించవలసి ఉంటుంది. స్పష్టంగా, ఈ సాంప్రదాయ పూత ప్రక్రియ నానోక్రిస్టల్స్, నానోపార్టికల్స్, అమార్ఫస్ మరియు మెటాలిక్ గ్లాసెస్ వంటి అధిక ఉష్ణోగ్రత-సున్నితమైన పదార్థాలకు తగినది కాదు40, 41, 42. అంతేకాకుండా, థర్మల్ స్ప్రే పూత పదార్థాలు ఎల్లప్పుడూ అధిక స్థాయిలో పోరోసిటీ మరియు ఆక్సైడ్‌లను ప్రదర్శిస్తాయి. థర్మల్ స్ప్రే టెక్నాలజీతో పోలిస్తే కోల్డ్ స్ప్రే టెక్నాలజీకి అనేక ముఖ్యమైన ప్రయోజనాలు ఉన్నాయి, అవి (i) సబ్‌స్ట్రేట్‌కు కనీస ఉష్ణ ప్రవేశం, (ii) సబ్‌స్ట్రేట్ పూత ఎంపికలలో సౌలభ్యం, (iii) దశ పరివర్తన మరియు గ్రెయిన్ పెరుగుదల లేకపోవడం, (iv) అధిక బంధ బలం1,39 (Fig. 2b). అదనంగా, కోల్డ్ స్ప్రే పూత పదార్థాలు అధిక తుప్పు నిరోధకత, అధిక బలం మరియు కాఠిన్యం, అధిక విద్యుత్ వాహకత మరియు అధిక సాంద్రత41. కోల్డ్ స్ప్రే ప్రక్రియ యొక్క ప్రయోజనాలకు విరుద్ధంగా, ఈ సాంకేతికతను ఉపయోగించడంలో కొన్ని ప్రతికూలతలు కూడా ఉన్నాయి, అవి చిత్రం 2bలో చూపబడ్డాయి. Al2O3, TiO2, ZrO2, WC మొదలైన స్వచ్ఛమైన సిరామిక్ పౌడర్‌లకు పూత వేసేటప్పుడు, కోల్డ్ స్ప్రే పద్ధతిని ఉపయోగించలేము. మరోవైపు, సిరామిక్/లోహ మిశ్రమ పౌడర్‌లను పూతల కోసం ముడి పదార్థాలుగా ఉపయోగించవచ్చు. ఇతర థర్మల్ స్ప్రే పద్ధతులకు కూడా ఇదే వర్తిస్తుంది. సంక్లిష్టమైన ఉపరితలాలు మరియు పైపు లోపలి ఉపరితలాలపై స్ప్రే చేయడం ఇప్పటికీ కష్టం.
ప్రస్తుత పనిలో మెటాలిక్ గ్లాసీ పౌడర్‌లను ముడి పూత పదార్థాలుగా ఉపయోగించాలనేది లక్ష్యం కాబట్టి, ఈ ప్రయోజనం కోసం సాంప్రదాయ థర్మల్ స్ప్రేయింగ్‌ను ఉపయోగించలేమని స్పష్టమవుతోంది. ఎందుకంటే మెటాలిక్ గ్లాసీ పౌడర్‌లు అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద స్ఫటికీకరణ చెందుతాయి¹.
వైద్య మరియు ఆహార పరిశ్రమలలో ఉపయోగించే చాలా పరికరాలు, శస్త్రచికిత్స పరికరాల తయారీ కోసం 12 నుండి 20 wt% మధ్య క్రోమియం కంటెంట్ ఉన్న ఆస్టెనిటిక్ స్టెయిన్‌లెస్ స్టీల్ మిశ్రమ లోహాలతో (SUS316 మరియు SUS304) తయారు చేయబడతాయి. స్టీల్ మిశ్రమ లోహాలలో క్రోమియం లోహాన్ని మిశ్రమ మూలకంగా ఉపయోగించడం వల్ల ప్రామాణిక స్టీల్ మిశ్రమ లోహాల తుప్పు నిరోధకతను బాగా మెరుగుపరచవచ్చని సాధారణంగా అంగీకరించబడింది. స్టెయిన్‌లెస్ స్టీల్ మిశ్రమ లోహాలు, వాటి అధిక తుప్పు నిరోధకత ఉన్నప్పటికీ, ముఖ్యమైన సూక్ష్మజీవనాశక లక్షణాలను ప్రదర్శించవు38,39. ఇది వాటి అధిక తుప్పు నిరోధకతకు విరుద్ధంగా ఉంటుంది. దీని తరువాత, ఇన్ఫెక్షన్ మరియు వాపు అభివృద్ధిని అంచనా వేయవచ్చు, ఇది ప్రధానంగా స్టెయిన్‌లెస్ స్టీల్ బయోమెటీరియల్స్ ఉపరితలంపై బ్యాక్టీరియా అంటుకోవడం మరియు స్థిరపడటం వలన సంభవిస్తుంది. బ్యాక్టీరియా అంటుకోవడం మరియు బయోఫిల్మ్ ఏర్పడే మార్గాలతో సంబంధం ఉన్న ముఖ్యమైన ఇబ్బందుల కారణంగా గణనీయమైన సమస్యలు తలెత్తవచ్చు, ఇది ఆరోగ్య క్షీణతకు దారితీయవచ్చు, దీనివల్ల మానవ ఆరోగ్యంపై ప్రత్యక్షంగా లేదా పరోక్షంగా ప్రభావం చూపే అనేక పరిణామాలు ఉండవచ్చు.
యాంటీ బాక్టీరియల్ ఫిల్మ్/SUS304 ఉపరితల రక్షణ పూత ఉత్పత్తి కోసం MA టెక్నాలజీని (పట్టిక 1) ఉపయోగించి మెటాలిక్ గ్లాసీ Cu-Zr-Ni టెర్నరీ పౌడర్‌లను ఉత్పత్తి చేసే సాధ్యాసాధ్యాలను పరిశోధించడానికి, కువైట్ ఫౌండేషన్ ఫర్ ది అడ్వాన్స్‌మెంట్ ఆఫ్ సైన్స్ (KFAS) వారి కాంట్రాక్ట్ నెం. 2010-550401 కింద నిధులు సమకూర్చిన ఒక ప్రాజెక్టులో ఈ అధ్యయనం మొదటి దశ. జనవరి 2023లో ప్రారంభం కానున్న ఈ ప్రాజెక్టు రెండవ దశలో, ఈ వ్యవస్థ యొక్క ఎలక్ట్రోకెమికల్ తుప్పు లక్షణాలు మరియు యాంత్రిక లక్షణాలను వివరంగా పరిశీలిస్తారు. వివిధ బాక్టీరియా జాతుల కోసం వివరణాత్మక సూక్ష్మజీవ పరీక్షలు నిర్వహించబడతాయి.
ఈ పత్రంలో, రూపాత్మక మరియు నిర్మాణ లక్షణాల ఆధారంగా గ్లాస్ ఫార్మింగ్ సామర్థ్యం (GFA) పై Zr మిశ్రణ మూలకం పరిమాణం యొక్క ప్రభావాన్ని చర్చించడం జరిగింది. అదనంగా, పూత పూసిన మెటాలిక్ గ్లాస్ పౌడర్ కోటింగ్/SUS304 కాంపోజిట్ యొక్క యాంటీ బాక్టీరియల్ లక్షణాలను కూడా చర్చించడం జరిగింది. అంతేకాకుండా, తయారు చేయబడిన మెటాలిక్ గ్లాస్ సిస్టమ్స్ యొక్క సబ్‌కూల్డ్ లిక్విడ్ ప్రాంతంలో కోల్డ్ స్ప్రేయింగ్ సమయంలో సంభవించే మెటాలిక్ గ్లాస్ పౌడర్‌ల నిర్మాణ పరివర్తన అవకాశాన్ని పరిశోధించడానికి ప్రస్తుత పని చేపట్టబడింది. ప్రతినిధి ఉదాహరణలుగా, ఈ అధ్యయనంలో Cu50Zr30Ni20 మరియు Cu50Zr20Ni30 మెటాలిక్ గ్లాస్ మిశ్రమలోహాలను ఉపయోగించడం జరిగింది.
ఈ విభాగంలో, తక్కువ శక్తి బాల్ మిల్లింగ్‌లో మూలక Cu, Zr మరియు Ni పొడుల యొక్క స్వరూప మార్పులు ప్రదర్శించబడ్డాయి. ఉదాహరణలుగా, Cu50Zr20Ni30 మరియు Cu50Zr40Ni10 లతో కూడిన రెండు విభిన్న వ్యవస్థలు ప్రాతినిధ్య ఉదాహరణలుగా ఉపయోగించబడతాయి. గ్రైండింగ్ దశలో ఉత్పత్తి చేయబడిన పొడి యొక్క మెటలోగ్రాఫిక్ లక్షణాల ద్వారా చూపినట్లుగా (పటం 3), MA ప్రక్రియను మూడు విభిన్న దశలుగా విభజించవచ్చు.
వివిధ బాల్ మిల్లింగ్ సమయ దశల తర్వాత పొందిన మెకానికల్ అల్లాయ్ (MA) పౌడర్‌ల మెటలోగ్రాఫిక్ లక్షణాలు. 3, 12 మరియు 50 గంటల తక్కువ శక్తి బాల్ మిల్లింగ్ సమయాల తర్వాత పొందిన MA మరియు Cu50Zr40Ni10 పౌడర్‌ల ఫీల్డ్ ఎమిషన్ స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (FE-SEM) చిత్రాలు Cu50Zr20Ni30 సిస్టమ్ కోసం (a), (c) మరియు (e) లలో చూపబడ్డాయి, అదే MAలో Cu50Zr40Ni10 సిస్టమ్ యొక్క సంబంధిత చిత్రాలు సమయం తర్వాత (b), (d) మరియు (f) లలో చూపబడ్డాయి.
బాల్ మిల్లింగ్ సమయంలో, లోహపు పొడికి బదిలీ చేయబడే ప్రభావవంతమైన గతి శక్తి, పటం 1aలో చూపిన విధంగా పారామితుల కలయిక ద్వారా ప్రభావితమవుతుంది. ఇందులో బంతులు మరియు పొడుల మధ్య ఢీకొనడం, గ్రైండింగ్ మీడియా మధ్య ఇరుక్కుపోయిన పొడి యొక్క సంపీడన కోత, కింద పడే బంతుల తాకిడి, కదులుతున్న బాల్ మిల్లింగ్ మీడియా మధ్య పొడి లాగడం వల్ల కలిగే కోత మరియు అరుగుదల, మరియు పంట లోడ్‌ల ద్వారా వ్యాపించిన కింద పడే బంతుల గుండా ప్రసరించే షాక్ వేవ్ (పటం 1a) వంటివి ఉంటాయి. MA యొక్క ప్రారంభ దశలో (3 గంటలు) కోల్డ్ వెల్డింగ్ కారణంగా మూలకాలైన Cu, Zr, మరియు Ni పొడులు తీవ్రంగా రూపాంతరం చెందాయి, దీని ఫలితంగా పెద్ద పొడి కణాలు (>1 మిమీ వ్యాసం) ఏర్పడ్డాయి. ఈ పెద్ద మిశ్రమ కణాలు, పటం 3a,bలో చూపిన విధంగా, మిశ్రమ మూలకాల (Cu, Zr, Ni) మందపాటి పొరల ఏర్పాటు ద్వారా వర్గీకరించబడతాయి. MA సమయాన్ని 12 గంటలకు (మధ్యస్థ దశ) పెంచడం వల్ల బాల్ మిల్ యొక్క గతి శక్తి పెరిగింది, దీని ఫలితంగా మిశ్రమ పొడి మరింత సూక్ష్మమైన పొడులుగా (200 µm కంటే తక్కువ) విచ్ఛిన్నమైంది, ఇది పటంలో చూపబడింది. 3c,d. ఈ దశలో, ప్రయోగించిన కోత బలం వలన, పటం 3c,dలో చూపిన విధంగా, సూక్ష్మమైన Cu, Zr, Ni పొరలతో కూడిన కొత్త లోహ ఉపరితలం ఏర్పడుతుంది. పొరల సూక్ష్మీకరణ ఫలితంగా, కొత్త దశలను ఉత్పత్తి చేయడానికి రేకుల మధ్య ఉన్న అంతరముఖం వద్ద ఘన దశ చర్యలు జరుగుతాయి.
MA ప్రక్రియ యొక్క పరాకాష్టలో (50 గంటల తర్వాత), పొరల వంటి మెటలోగ్రఫీ చాలా అస్పష్టంగా కనిపించింది (Fig. 3e,f), కానీ పొడి యొక్క పాలిష్ చేసిన ఉపరితలం అద్దం వంటి మెటలోగ్రఫీని చూపించింది. దీని అర్థం MA ప్రక్రియ పూర్తయింది మరియు ఒకే చర్య దశ ఏర్పడింది. Fig. 3e (I, II, III), f, v, vi) లో సూచించబడిన ప్రాంతాల యొక్క మూలక కూర్పును ఫీల్డ్ ఎమిషన్ స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (FE-SEM) మరియు ఎనర్జీ డిస్పర్సివ్ ఎక్స్-రే స్పెక్ట్రోస్కోపీ (EDS) (IV) కలయికను ఉపయోగించి నిర్ధారించబడింది.
పట్టిక 2లో, మిశ్రమ మూలకాల యొక్క మూలక సాంద్రతలు, పటం 3e,fలో ఎంపిక చేయబడిన ప్రతి ప్రాంతం యొక్క మొత్తం బరువులో శాతంగా చూపబడ్డాయి. ఈ ఫలితాలను పట్టిక 1లో జాబితా చేయబడిన Cu50Zr20Ni30 మరియు Cu50Zr40Ni10 యొక్క ప్రారంభ నామమాత్రపు కూర్పులతో పోల్చినప్పుడు, ఈ రెండు తుది ఉత్పత్తుల కూర్పులు నామమాత్రపు కూర్పులకు చాలా సారూప్య విలువలను కలిగి ఉన్నాయని చూడవచ్చు. అంతేకాకుండా, పటం 3e,fలో జాబితా చేయబడిన ప్రాంతాల సాపేక్ష భాగాల విలువలు, ఒక ప్రాంతం నుండి మరొక ప్రాంతానికి ప్రతి నమూనా యొక్క కూర్పులో గణనీయమైన క్షీణత లేదా హెచ్చుతగ్గును సూచించవు. ఒక ప్రాంతం నుండి మరొక ప్రాంతానికి కూర్పులో ఎటువంటి మార్పు లేదనే వాస్తవం దీనికి నిదర్శనం. ఇది పట్టిక 2లో చూపిన విధంగా సజాతీయ మిశ్రమ పొడుల ఉత్పత్తిని సూచిస్తుంది.
50 MA సార్లు చేసిన తర్వాత, తుది ఉత్పత్తి అయిన Cu50(Zr50−xNix) పౌడర్ యొక్క FE-SEM మైక్రోగ్రాఫ్‌లు పొందబడ్డాయి, ఇవి Fig. 4a–dలో చూపబడ్డాయి, ఇక్కడ x వరుసగా 10, 20, 30 మరియు 40 at.%గా ఉంది. ఈ మిల్లింగ్ దశ తర్వాత, వాన్ డెర్ వాల్స్ ప్రభావం కారణంగా పౌడర్ సముదాయాలుగా ఏర్పడుతుంది, దీని ఫలితంగా 73 నుండి 126 nm వ్యాసం కలిగిన అతి సూక్ష్మ కణాలతో కూడిన పెద్ద సముదాయాలు ఏర్పడతాయి, ఇది Figure 4లో చూపబడింది.
50 గంటల MA సమయం తర్వాత పొందిన Cu50(Zr50−xNix) పౌడర్‌ల యొక్క రూపాత్మక లక్షణాలు. Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 సిస్టమ్‌ల కోసం, 50 MA సమయాల తర్వాత పొందిన పౌడర్‌ల యొక్క FE-SEM చిత్రాలు వరుసగా (a), (b), (c) మరియు (d) లలో చూపబడ్డాయి.
పౌడర్‌లను కోల్డ్ స్ప్రే ఫీడర్‌లో లోడ్ చేయడానికి ముందు, వాటిని మొదట 15 నిమిషాల పాటు అనలిటికల్ గ్రేడ్ ఇథనాల్‌లో సోనికేట్ చేసి, ఆపై 150°C వద్ద 2 గంటల పాటు ఆరబెట్టారు. కోటింగ్ ప్రక్రియ అంతటా తరచుగా అనేక ముఖ్యమైన సమస్యలను కలిగించే అగ్లోమరేషన్‌ను విజయవంతంగా ఎదుర్కోవడానికి ఈ దశను తప్పనిసరిగా తీసుకోవాలి. MA ప్రక్రియ పూర్తయిన తర్వాత, మిశ్రమలోహ పౌడర్‌ల సజాతీయతను పరిశోధించడానికి తదుపరి లక్షణీకరణలు నిర్వహించబడ్డాయి. పటం 5a–d వరుసగా, 50 గంటల M సమయం తర్వాత పొందిన Cu50Zr30Ni20 మిశ్రమలోహం యొక్క Cu, Zr మరియు Ni మిశ్రమ మూలకాల యొక్క FE-SEM మైక్రోగ్రాఫ్‌లు మరియు సంబంధిత EDS చిత్రాలను చూపుతున్నాయి. పటం 5లో చూపిన విధంగా, ఈ దశ తర్వాత ఉత్పత్తి చేయబడిన మిశ్రమలోహ పౌడర్‌లు సబ్-నానోమీటర్ స్థాయికి మించి ఎటువంటి సంఘటన హెచ్చుతగ్గులను చూపించనందున అవి సజాతీయంగా ఉన్నాయని గమనించాలి.
FE-SEM/ఎనర్జీ డిస్పర్సివ్ ఎక్స్-రే స్పెక్ట్రోస్కోపీ (EDS) ద్వారా 50 MA సార్లు పొందిన MG Cu50Zr30Ni20 పౌడర్ యొక్క స్వరూపం మరియు స్థానిక మూలకాల పంపిణీ. (a) (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα మరియు (d) Ni-Kα చిత్రాల యొక్క SEM మరియు ఎక్స్-రే EDS మ్యాపింగ్.
50 గంటల MA సమయం తర్వాత పొందిన యాంత్రికంగా మిశ్రమం చేయబడిన Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 మరియు Cu50Zr20Ni30 పొడుల యొక్క XRD నమూనాలు వరుసగా Fig. 6a–dలో చూపబడ్డాయి. మిల్లింగ్ యొక్క ఈ దశ తర్వాత, విభిన్న Zr గాఢతలు కలిగిన అన్ని నమూనాలు Fig. 6లో చూపిన లక్షణ హాలో డిఫ్యూజన్ నమూనాలతో నిరాకార నిర్మాణాలను చూపించాయి.
50 గంటల MA సమయం తర్వాత (ఎ) Cu50Zr40Ni10, (బి) Cu50Zr30Ni20, (సి) Cu50Zr20Ni30 మరియు (డి) Cu50Zr20Ni30 పౌడర్‌ల యొక్క XRD నమూనాలు. మినహాయింపు లేకుండా అన్ని నమూనాలు హాలో డిఫ్యూజన్ నమూనాను చూపించాయి, ఇది ఒక అమార్ఫస్ దశ ఏర్పడటాన్ని సూచిస్తుంది.
వివిధ MA సమయాలలో బాల్ మిల్లింగ్ ఫలితంగా ఏర్పడిన పొడుల యొక్క నిర్మాణ మార్పులను గమనించడానికి మరియు వాటి స్థానిక నిర్మాణాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి ఫీల్డ్ ఎమిషన్ హై-రిజల్యూషన్ ట్రాన్స్‌మిషన్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (FE-HRTEM)ని ఉపయోగించారు. Cu50Zr30Ni20 మరియు Cu50Zr40Ni10 పొడుల కోసం మిల్లింగ్ యొక్క ప్రారంభ (6 గంటలు) మరియు మధ్యస్థ (18 గంటలు) దశల తర్వాత పొందిన పొడుల యొక్క FE-HRTEM చిత్రాలు వరుసగా Fig. 7a,c లలో చూపబడ్డాయి. MA 6 గంటల తర్వాత ఉత్పత్తి చేయబడిన పొడి యొక్క బ్రైట్ ఫీల్డ్ ఇమేజ్ (BFI) ప్రకారం, ఆ పొడి fcc-Cu, hcp-Zr మరియు fcc-Ni మూలకాల యొక్క స్పష్టమైన సరిహద్దులతో కూడిన పెద్ద కణాలతో ఏర్పడింది, మరియు రియాక్షన్ ఫేజ్ ఏర్పడినట్లు ఎటువంటి సంకేతం లేదు, ఇది Fig. 7aలో చూపబడింది. అంతేకాకుండా, (a) యొక్క మధ్య ప్రాంతం నుండి తీసుకోబడిన కోరిలేటెడ్ సెలెక్టెడ్ ఏరియా డిఫ్రాక్షన్ ప్యాటర్న్ (SADP) ఒక కస్ప్ డిఫ్రాక్షన్ ప్యాటర్న్‌ను (Fig. 7b) వెల్లడించింది, ఇది పెద్ద క్రిస్టలైట్‌ల ఉనికిని మరియు ఒక రియాక్షన్ ఫేజ్ లేకపోవడాన్ని సూచిస్తుంది. క్రియాశీల దశ.
ప్రారంభ (6 గంటలు) మరియు మధ్యంతర (18 గంటలు) దశల తర్వాత పొందిన MA పౌడర్ యొక్క స్థానిక నిర్మాణ లక్షణీకరణ. (ఎ) ఫీల్డ్ ఎమిషన్ హై రిజల్యూషన్ ట్రాన్స్‌మిషన్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (FE-HRTEM), మరియు (బి) 6 గంటల MA చికిత్స తర్వాత Cu50Zr30Ni20 పౌడర్ యొక్క సంబంధిత సెలెక్టెడ్ ఏరియా డిఫ్రాక్షన్ ప్యాటర్న్ (SADP). 18 గంటల MA సమయం తర్వాత పొందిన Cu50Zr40Ni10 యొక్క FE-HRTEM చిత్రం (సి)లో చూపబడింది.
పటం 7cలో చూపిన విధంగా, MA వ్యవధిని 18 గంటలకు పొడిగించడం వలన ప్లాస్టిక్ విరూపణతో పాటు తీవ్రమైన లాటిస్ లోపాలు ఏర్పడ్డాయి. MA ప్రక్రియ యొక్క ఈ మధ్యంతర దశలో, పౌడర్ స్టాకింగ్ ఫాల్ట్స్, లాటిస్ లోపాలు మరియు పాయింట్ లోపాలతో సహా వివిధ లోపాలను ప్రదర్శిస్తుంది (పటం 7). ఈ లోపాలు పెద్ద కణాలను వాటి కణ సరిహద్దుల వెంబడి 20 nm కంటే తక్కువ పరిమాణంలో ఉన్న ఉపకణాలుగా విడిపోవడానికి కారణమవుతాయి (పటం 7c).
36 గంటల MA సమయం పాటు మిల్లింగ్ చేయబడిన Cu50Z30Ni20 పౌడర్ యొక్క స్థానిక నిర్మాణం, చిత్రం 8aలో చూపిన విధంగా, ఒక నిరాకార సూక్ష్మ మాతృకలో పొందుపరచబడిన అతి సూక్ష్మ నానోగ్రెయిన్‌ల ఏర్పాటును కలిగి ఉంది. స్థానిక EDS విశ్లేషణ, చిత్రం 8aలో చూపిన ఆ నానోక్లస్టర్‌లు ప్రాసెస్ చేయని Cu, Zr మరియు Ni పౌడర్ మిశ్రమ మూలకాలతో సంబంధం కలిగి ఉన్నాయని సూచించింది. అదే సమయంలో, మాతృక యొక్క Cu కంటెంట్ ~32 at.% (లీన్ ఏరియా) నుండి ~74 at.% (రిచ్ ఏరియా) వరకు హెచ్చుతగ్గులకు లోనైంది, ఇది విజాతీయ ఉత్పత్తుల ఏర్పాటును సూచిస్తుంది. ఇంకా, ఈ దశలో మిల్లింగ్ తర్వాత పొందిన పౌడర్‌ల యొక్క సంబంధిత SADPలు, చిత్రం 8bలో చూపిన విధంగా, ఆ ముడి మిశ్రమ మూలకాలతో సంబంధం ఉన్న పదునైన బిందువులతో అతివ్యాప్తి చెందుతూ, నిరాకార దశ యొక్క హాలో-డిఫ్యూజింగ్ ప్రాథమిక మరియు ద్వితీయ వలయాలను చూపుతాయి.
36 గంటల తర్వాత Cu50Zr30Ni20 పౌడర్ యొక్క నానోస్కేల్ స్థానిక నిర్మాణ లక్షణాలు. (ఎ) 36 గంటల MA సమయం పాటు మిల్లింగ్ చేసిన తర్వాత పొందిన Cu50Zr30Ni20 పౌడర్ యొక్క బ్రైట్ ఫీల్డ్ ఇమేజ్ (BFI) మరియు దానికి సంబంధించిన (బి) SADP.
MA ప్రక్రియ ముగింపు దశలో (50 గంటలు), Cu50(Zr50−xNix), X; 10, 20, 30 మరియు 40 అణు శాతం పొడులు, పటం 9a–d లో చూపిన విధంగా, ఎల్లప్పుడూ ఒక చిక్కుముడి వంటి నిరాకార దశ స్వరూపాన్ని కలిగి ఉంటాయి. ప్రతి కూర్పు యొక్క సంబంధిత SADPలో, బిందువుల వంటి వివర్తనాలు గానీ లేదా పదునైన వలయాకార నమూనాలు గానీ గుర్తించబడలేదు. ఇది, ప్రాసెస్ చేయని స్ఫటికాకార లోహం ఏదీ లేదని, బదులుగా ఒక నిరాకార మిశ్రమలోహపు పొడి ఏర్పడిందని సూచిస్తుంది. హాలో డిఫ్యూజన్ నమూనాలను చూపించే ఈ పరస్పర సంబంధిత SADPలు, తుది ఉత్పత్తి పదార్థంలో నిరాకార దశలు అభివృద్ధి చెందడానికి సాక్ష్యంగా కూడా ఉపయోగించబడ్డాయి.
MG Cu50 (Zr50−xNix) వ్యవస్థ యొక్క తుది ఉత్పత్తి యొక్క స్థానిక నిర్మాణం. 50 గంటల MA తర్వాత పొందిన (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 మరియు (d) Cu50Zr10Ni40 యొక్క FE-HRTEM మరియు సంబంధిత నానోబీమ్ డిఫ్రాక్షన్ నమూనాలు (NBDP).
హీలియం వాయు ప్రవాహం కింద డిఫరెన్షియల్ స్కానింగ్ కెలోరిమెట్రీ (DSC) పద్ధతిని ఉపయోగించి, నిరాకార Cu50(Zr50−xNix) వ్యవస్థ యొక్క గ్లాస్ ట్రాన్సిషన్ ఉష్ణోగ్రత (Tg), సబ్‌కూల్డ్ లిక్విడ్ రీజియన్ (ΔTx) మరియు క్రిస్టలైజేషన్ ఉష్ణోగ్రత (Tx) ల ఉష్ణ స్థిరత్వాన్ని, Ni కంటెంట్ (x) ప్రమేయంగా పరిశోధించడం జరిగింది. 50 గంటల MA సమయం తర్వాత పొందిన Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 మరియు Cu50Zr10Ni40 నిరాకార మిశ్రమలోహ పొడుల యొక్క DSC ట్రేస్‌లు వరుసగా పటం 10a, b, e లలో చూపబడ్డాయి. నిరాకార Cu50Zr20Ni30 యొక్క DSC కర్వ్ పటం 10c లో విడిగా చూపబడింది. అదే సమయంలో, DSC లో ~700 °C వరకు వేడి చేసిన Cu50Zr30Ni20 నమూనా పటం 10d లో చూపబడింది.
50 గంటల MA సమయం తర్వాత పొందిన Cu50(Zr50−xNix) MG పౌడర్‌ల ఉష్ణ స్థిరత్వం, గ్లాస్ ట్రాన్సిషన్ ఉష్ణోగ్రత (Tg), స్ఫటికీకరణ ఉష్ణోగ్రత (Tx), మరియు సబ్‌కూల్డ్ లిక్విడ్ రీజియన్ (ΔTx) ద్వారా సూచించబడింది. 50 గంటల MA సమయం తర్వాత (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 మరియు (e) Cu50Zr10Ni40 MG మిశ్రమలోహ పౌడర్‌ల డిఫరెన్షియల్ స్కానింగ్ కెలోరిమీటర్ (DSC) థర్మోగ్రామ్‌లు. DSCలో ~700 °C వరకు వేడి చేసిన Cu50Zr30Ni20 నమూనా యొక్క ఎక్స్-రే డిఫ్రాక్షన్ (XRD) నమూనా (d)లో చూపబడింది.
పటం 10లో చూపిన విధంగా, విభిన్న Ni గాఢతలు (x) కలిగిన అన్ని మిశ్రమాల యొక్క DSC వక్రాలు రెండు విభిన్న సందర్భాలను సూచిస్తాయి, ఒకటి ఉష్ణగ్రాహక మరియు మరొకటి ఉష్ణమోచక. మొదటి ఉష్ణగ్రాహక సంఘటన Tgకి అనుగుణంగా ఉంటుంది, అయితే రెండవది Txకి సంబంధించినది. Tg మరియు Tx మధ్య ఉన్న క్షితిజ సమాంతర విస్తరణ ప్రాంతాన్ని సబ్‌కూల్డ్ లిక్విడ్ రీజియన్ (ΔTx = Tx – Tg) అంటారు. పటం 10bలో చూపిన విధంగా, ఫలితాలు ఏమి చూపిస్తున్నాయంటే, 526°C మరియు 612°C వద్ద ఉంచబడిన Cu50Zr40Ni10 నమూనా (పటం 10a) యొక్క Tg మరియు Tx, Ni పరిమాణం (x) పెరిగేకొద్దీ, దాని పరిమాణం (x)ను వరుసగా 482°C మరియు 563°Cల అల్ప ఉష్ణోగ్రత వైపుకు 20 అణు శాతం వరకు మారుస్తాయి. తత్ఫలితంగా, Cu50Zr40Ni10 యొక్క ΔTx, 86 °C (పటం 10a) నుండి 81 °Cకి తగ్గుతుంది. Cu50Zr30Ni20 (పటం 10b). MG Cu50Zr40Ni10 మిశ్రమలోహం కొరకు, Tg, Tx మరియు ΔTx విలువలు 447°C, 526°C మరియు 79°C స్థాయికి తగ్గినట్లు కూడా గమనించబడింది (పటం 10b). ఇది Ni పరిమాణం పెరగడం వలన MG మిశ్రమలోహం యొక్క ఉష్ణ స్థిరత్వం తగ్గుతుందని సూచిస్తుంది. దీనికి విరుద్ధంగా, MG Cu50Zr20Ni30 మిశ్రమలోహం యొక్క Tg విలువ (507 °C) MG Cu50Zr40Ni10 మిశ్రమలోహం కంటే తక్కువగా ఉంది; అయినప్పటికీ, దాని Tx విలువ మునుపటి దానితో పోల్చదగినదిగా (612 °C) ఉంది. అందువల్ల, పటం 10c లో చూపిన విధంగా, ΔTx అధిక విలువను (87°C) ప్రదర్శిస్తుంది.
MG Cu50Zr20Ni30 మిశ్రమలోహాన్ని ఉదాహరణగా తీసుకుంటే, MG Cu50(Zr50−xNix) వ్యవస్థ ఒక పదునైన ఉష్ణమోచక శిఖరం ద్వారా fcc-ZrCu5, ఆర్థోరోంబిక్-Zr7Cu10 మరియు ఆర్థోరోంబిక్-ZrNi స్ఫటిక దశలుగా స్ఫటికీకరణ చెందుతుంది (పటం 10c). DSCలో 700 °C వరకు వేడి చేసిన MG నమూనా యొక్క XRD ద్వారా ఈ నిరాకార నుండి స్ఫటికాకార దశ పరివర్తన నిర్ధారించబడింది (పటం 10d).
ప్రస్తుత పనిలో నిర్వహించిన కోల్డ్ స్ప్రే ప్రక్రియ సమయంలో తీసిన ఛాయాచిత్రాలను పటం 11 చూపిస్తుంది. ఈ అధ్యయనంలో, 50 గంటల MA సమయం తర్వాత సంశ్లేషణ చేయబడిన లోహపు గాజు లాంటి పొడి కణాలను (ఉదాహరణగా Cu50Zr20Ni30 తీసుకుంటే) యాంటీ బాక్టీరియల్ ముడి పదార్థాలుగా ఉపయోగించారు, మరియు స్టెయిన్‌లెస్ స్టీల్ ప్లేట్ (SUS304)కు కోల్డ్ స్ప్రేయింగ్ టెక్నాలజీ ద్వారా పూత వేయబడింది. థర్మల్ స్ప్రే టెక్నాలజీ శ్రేణిలో పూత కోసం కోల్డ్ స్ప్రే పద్ధతిని ఎంచుకున్నారు, ఎందుకంటే ఇది థర్మల్ స్ప్రే శ్రేణిలో అత్యంత సమర్థవంతమైన పద్ధతి మరియు దశ పరివర్తనలకు లోనుకాని, నిరాకార మరియు నానోక్రిస్టలైన్ పొడుల వంటి లోహ అస్థిర ఉష్ణోగ్రత సున్నిత పదార్థాల కోసం దీనిని ఉపయోగించవచ్చు. ఈ పద్ధతిని ఎంచుకోవడంలో ఇదే ప్రధాన అంశం. కోల్డ్ స్ప్రే ప్రక్రియలో, అధిక-వేగ కణాలను ఉపయోగిస్తారు. ఈ కణాలు సబ్‌స్ట్రేట్ లేదా ముందుగా జమ చేయబడిన కణాలను తాకినప్పుడు, వాటి గతి శక్తిని ప్లాస్టిక్ విరూపణ, స్ట్రెయిన్ మరియు వేడిగా మారుస్తాయి.
550 °C వద్ద MG కోటింగ్/SUS 304 ను వరుసగా ఐదుసార్లు సిద్ధం చేయడానికి ఉపయోగించిన కోల్డ్ స్ప్రే విధానాన్ని క్షేత్రస్థాయి ఫోటోలు చూపిస్తున్నాయి.
పూత ఏర్పడటంలో కణాల గతిజ శక్తి, తద్వారా ప్రతి కణం యొక్క ద్రవ్యవేగం, ప్లాస్టిక్ విరూపణం (ప్రారంభ కణ మరియు ఉపరితల కణ పరస్పర చర్యలు), శూన్యాల ఏకీకరణ, కణ-కణ భ్రమణం, వికృతి మరియు చివరికి ఉష్ణం 39 వంటి యంత్రాంగాల ద్వారా ఇతర శక్తి రూపాలుగా మార్చబడాలి. అంతేకాకుండా, వచ్చే గతిజ శక్తి అంతా ఉష్ణం మరియు వికృతి శక్తిగా మార్చబడకపోతే, ఫలితం స్థితిస్థాపక తాకిడి అవుతుంది, అంటే కణాలు తాకిడి తర్వాత కేవలం వెనక్కి ఎగిరిపోతాయి. కణం/ఉపరితల పదార్థంపై ప్రయోగించిన తాకిడి శక్తిలో 90% స్థానిక ఉష్ణంగా మార్చబడుతుందని సూచించబడింది 40. అంతేకాకుండా, తాకిడి ఒత్తిడిని ప్రయోగించినప్పుడు, సంపర్క కణం/ఉపరితల ప్రాంతంలో చాలా తక్కువ సమయంలో అధిక ప్లాస్టిక్ వికృతి రేట్లు సాధించబడతాయి 41,42.
ప్లాస్టిక్ విరూపణను సాధారణంగా శక్తి క్షయ ప్రక్రియగా, లేదా మరింత ప్రత్యేకంగా, అంతరతల ప్రాంతంలో ఒక ఉష్ణ వనరుగా పరిగణిస్తారు. అయితే, అంతరతల ప్రాంతంలో ఉష్ణోగ్రత పెరుగుదల సాధారణంగా అంతరతల ద్రవీభవనాన్ని కలిగించడానికి లేదా పరమాణు అంతరవ్యాప్తిని గణనీయంగా ప్రోత్సహించడానికి సరిపోదు. కోల్డ్ స్ప్రే పద్ధతులను ఉపయోగించినప్పుడు సంభవించే పౌడర్ సంసంజనం మరియు నిక్షేపణంపై ఈ లోహపు గాజు పౌడర్ల లక్షణాల ప్రభావాన్ని పరిశోధించిన ప్రచురణ ఏదీ రచయితలకు తెలిసినంతవరకు లేదు.
SUS 304 సబ్‌స్ట్రేట్‌పై (చిత్రాలు 11, 12b) పూత పూయబడిన MG Cu50Zr20Ni30 మిశ్రమలోహపు పొడి యొక్క BFIని చిత్రం 12aలో చూడవచ్చు. చిత్రంలో చూడగలిగినట్లుగా, పూత పూయబడిన పొడులు వాటి అసలైన అస్ఫటిక నిర్మాణాన్ని నిలుపుకుంటాయి, ఎందుకంటే అవి ఎటువంటి స్ఫటిక లక్షణాలు లేదా లాటిస్ లోపాలు లేకుండా ఒక సున్నితమైన లాబ్రింత్ నిర్మాణాన్ని కలిగి ఉంటాయి. మరోవైపు, MG-పూత పూసిన పొడి మాతృకలో చేర్చబడిన నానోకణాల ద్వారా సూచించబడినట్లుగా, ఈ చిత్రం ఒక అదనపు దశ ఉనికిని సూచిస్తుంది (చిత్రం 12a). చిత్రం 12c, ప్రాంతం I (చిత్రం 12a)కి సంబంధించిన ఇండెక్స్డ్ నానోబీమ్ డిఫ్రాక్షన్ నమూనాని (NBDP) చిత్రీకరిస్తుంది. చిత్రం 12cలో చూపినట్లుగా, NBDP అస్ఫటిక నిర్మాణం యొక్క బలహీనమైన హాలో డిఫ్యూజన్ నమూనాని ప్రదర్శిస్తుంది మరియు స్ఫటికాకార పెద్ద క్యూబిక్ Zr2Ni మెటాస్టేబుల్ ప్లస్ టెట్రాగోనల్ CuO దశకు సంబంధించిన పదునైన పాచెస్‌తో కలిసి ఉంటుంది. స్ప్రే నాజిల్ నుండి ప్రయాణించేటప్పుడు పొడి యొక్క ఆక్సీకరణం కారణంగా CuO ఏర్పడి ఉండవచ్చు. బహిరంగ గాలిలో సూపర్‌సోనిక్ ప్రవాహం కింద గన్‌తో SUS 304 ను ప్రయోగించారు. మరోవైపు, 550 °C వద్ద 30 నిమిషాల పాటు కోల్డ్ స్ప్రే చికిత్స తర్వాత లోహపు గాజు పొడుల డీవిట్రిఫికేషన్ పెద్ద క్యూబిక్ దశల ఏర్పాటును సాధించింది.
(a) (b) SUS 304 సబ్‌స్ట్రేట్‌పై పూత పూసిన MG పౌడర్ యొక్క FE-HRTEM చిత్రం (పటం యొక్క ఇన్సెట్). (a)లో చూపిన వృత్తాకార చిహ్నం యొక్క NBDP సూచిక (c)లో చూపబడింది.
పెద్ద క్యూబిక్ Zr2Ni నానోపార్టికల్స్ ఏర్పడటానికి గల ఈ సంభావ్య యంత్రాంగాన్ని ధృవీకరించడానికి, ఒక స్వతంత్ర ప్రయోగం నిర్వహించబడింది. ఈ ప్రయోగంలో, పౌడర్‌లను 550 °C వద్ద స్ప్రే గన్ నుండి SUS 304 సబ్‌స్ట్రేట్ దిశగా స్ప్రే చేశారు; అయితే, పౌడర్‌ల యొక్క ఎనీలింగ్ ప్రభావాన్ని స్పష్టం చేయడానికి, వాటిని SUS304 స్ట్రిప్ నుండి వీలైనంత త్వరగా (సుమారు 60 సెకన్లలో) తొలగించారు. పౌడర్‌ను డిపాజిట్ చేసిన సుమారు 180 సెకన్ల తర్వాత సబ్‌స్ట్రేట్ నుండి తొలగించి, మరో సెట్ ప్రయోగాలు నిర్వహించబడ్డాయి.
పటాలు 13a,b వరుసగా 60 సెకన్లు మరియు 180 సెకన్ల పాటు SUS 304 సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై జమ చేయబడిన రెండు స్ప్రేడ్ పదార్థాల యొక్క స్కానింగ్ ట్రాన్స్‌మిషన్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (STEM) ద్వారా పొందిన డార్క్ ఫీల్డ్ చిత్రాలను (DFI) చూపుతున్నాయి. 60 సెకన్ల పాటు జమ చేయబడిన పౌడర్ చిత్రంలో ఎటువంటి రూపాత్మక వివరాలు లేవు, ఇది ఎటువంటి ఆకృతి లేకుండా కనిపిస్తుంది (పటం 13a). పటం 14aలో చూపిన విశాలమైన ప్రాథమిక మరియు ద్వితీయ వివర్తన గరిష్టాల ద్వారా సూచించినట్లుగా, ఈ పౌడర్‌ల సాధారణ నిర్మాణం అస్ఫటికమని XRD కూడా నిర్ధారించింది. ఇవి అస్థిర/మెసోఫేజ్ అవక్షేపణ లేకపోవడాన్ని సూచిస్తాయి, ఇక్కడ పౌడర్ దాని అసలు అస్ఫటిక నిర్మాణాన్ని నిలుపుకుంటుంది. దీనికి విరుద్ధంగా, అదే ఉష్ణోగ్రత (550 °C) వద్ద స్ప్రే చేసి, 180 సెకన్ల పాటు సబ్‌స్ట్రేట్‌పై ఉంచిన పౌడర్, పటం 13bలోని బాణాల ద్వారా సూచించినట్లుగా, నానో-పరిమాణపు రేణువుల అవక్షేపణను చూపించింది.