ขอบคุณที่เข้าชม Nature.com เบราว์เซอร์ที่คุณใช้อยู่มีการรองรับ CSS อย่างจำกัด เพื่อประสบการณ์การใช้งานที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์เวอร์ชันล่าสุด (หรือปิดโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) ในระหว่างนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าเว็บไซต์จะยังคงได้รับการสนับสนุนต่อไป เราจะแสดงผลเว็บไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
ไบโอฟิล์มเป็นส่วนประกอบสำคัญในการพัฒนาการติดเชื้อเรื้อรัง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุปกรณ์ทางการแพทย์ ปัญหานี้เป็นความท้าทายอย่างมากสำหรับวงการแพทย์ เนื่องจากยาปฏิชีวนะมาตรฐานสามารถทำลายไบโอฟิล์มได้ในระดับจำกัดเท่านั้น การป้องกันการก่อตัวของไบโอฟิล์มนำไปสู่การพัฒนาวิธีการเคลือบและวัสดุใหม่ๆ หลายวิธี เทคนิคเหล่านี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อเคลือบพื้นผิวในลักษณะที่ป้องกันการก่อตัวของไบโอฟิล์ม โลหะผสมแก้ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ประกอบด้วยโลหะทองแดงและไทเทเนียม ได้กลายเป็นสารเคลือบต้านจุลชีพที่เหมาะสม ในขณะเดียวกัน การใช้เทคโนโลยีการพ่นเย็นก็เพิ่มขึ้น เนื่องจากเป็นวิธีการที่เหมาะสมสำหรับการประมวลผลวัสดุที่ไวต่ออุณหภูมิ เป้าหมายส่วนหนึ่งของการวิจัยนี้คือการพัฒนาฟิล์มโลหะแก้วต้านแบคทีเรียชนิดใหม่ที่ประกอบด้วยโลหะผสมสามองค์ประกอบ Cu-Zr-Ni โดยใช้เทคนิคการผสมเชิงกล ผงทรงกลมที่ประกอบเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายถูกใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับการพ่นเย็นบนพื้นผิวสแตนเลสที่อุณหภูมิต่ำ พื้นผิวที่เคลือบด้วยโลหะแก้วสามารถลดการก่อตัวของไบโอฟิล์มได้อย่างมีนัยสำคัญอย่างน้อย 1 ล็อก เมื่อเทียบกับสแตนเลส
ตลอดประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติ สังคมใดๆ ก็สามารถพัฒนาและส่งเสริมการนำวัสดุใหม่ๆ มาใช้เพื่อตอบสนองความต้องการเฉพาะของตน ส่งผลให้ผลิตภาพและอันดับในเศรษฐกิจโลกาภิวัตน์เพิ่มขึ้น¹ ความสามารถของมนุษย์ในการออกแบบวัสดุและอุปกรณ์การผลิต รวมถึงการออกแบบเพื่อการผลิตและกำหนดคุณลักษณะของวัสดุเพื่อให้บรรลุเป้าหมายด้านสุขภาพ การศึกษา อุตสาหกรรม เศรษฐกิจ วัฒนธรรม และสาขาอื่นๆ จากประเทศหรือภูมิภาคหนึ่งไปยังอีกประเทศหนึ่งนั้น เป็นสิ่งที่ได้รับการยกย่องมาโดยตลอด ความก้าวหน้าถูกวัดโดยไม่คำนึงถึงประเทศหรือภูมิภาค² ตลอด 60 ปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุได้ทุ่มเทเวลามากมายให้กับภารกิจหลักอย่างหนึ่ง นั่นคือ การค้นหาวัสดุใหม่และวัสดุขั้นสูง การวิจัยล่าสุดมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงคุณภาพและประสิทธิภาพของวัสดุที่มีอยู่ รวมถึงการสังเคราะห์และการประดิษฐ์วัสดุประเภทใหม่ๆ อย่างสิ้นเชิง
การเติมธาตุผสม การปรับเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคของวัสดุ และการประยุกต์ใช้กรรมวิธีทางความร้อน ทางกล หรือทางความร้อนเชิงกล ส่งผลให้คุณสมบัติทางกล ทางเคมี และทางกายภาพของวัสดุต่างๆ ดีขึ้นอย่างมาก นอกจากนี้ ยังมีการสังเคราะห์สารประกอบที่ไม่เคยรู้จักมาก่อนได้สำเร็จ ความพยายามอย่างต่อเนื่องเหล่านี้ได้ก่อให้เกิดวัสดุนวัตกรรมตระกูลใหม่ที่เรียกว่า วัสดุขั้นสูง (Advanced Materials)² ผลึกนาโน อนุภาคนาโน ท่อนาโน จุดควอนตัม มิติศูนย์ โลหะแก้วอสัณฐาน และโลหะผสมเอนโทรปีสูง เป็นเพียงตัวอย่างบางส่วนของวัสดุขั้นสูงที่ปรากฏขึ้นในโลกตั้งแต่กลางศตวรรษที่ผ่านมา ในการผลิตและพัฒนาโลหะผสมใหม่ที่มีคุณสมบัติที่ดีขึ้น ทั้งในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายและในขั้นตอนการผลิตขั้นกลาง มักพบปัญหาเรื่องความไม่สมดุล ส่งผลให้มีการค้นพบโลหะผสมกึ่งเสถียรชนิดใหม่ที่เรียกว่า โลหะแก้ว (metallic glasses) จากการนำเทคนิคการผลิตใหม่ๆ มาใช้ ซึ่งอนุญาตให้มีการเบี่ยงเบนจากสมดุลอย่างมีนัยสำคัญ
งานของเขาที่ Caltech ในปี 1960 ได้ปฏิวัติแนวคิดเกี่ยวกับโลหะผสม เมื่อเขาสังเคราะห์โลหะผสมแก้ว Au-25 at.% Si โดยการทำให้ของเหลวแข็งตัวอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิเกือบหนึ่งล้านองศาต่อวินาที 4 การค้นพบของศาสตราจารย์ Paul Duves ไม่เพียงแต่เป็นจุดเริ่มต้นของประวัติศาสตร์โลหะแก้ว (MS) เท่านั้น แต่ยังนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงกระบวนทัศน์ในการคิดเกี่ยวกับโลหะผสมอีกด้วย นับตั้งแต่การวิจัยบุกเบิกครั้งแรกในการสังเคราะห์โลหะผสม MS โลหะแก้วเกือบทั้งหมดได้รับการสังเคราะห์ขึ้นโดยใช้วิธีใดวิธีหนึ่งต่อไปนี้: (i) การทำให้ของเหลวหรือไอระเหยแข็งตัวอย่างรวดเร็ว (ii) ความไม่เป็นระเบียบของโครงสร้างอะตอม (iii) ปฏิกิริยาการเปลี่ยนสถานะเป็นอสัณฐานในสถานะของแข็งระหว่างธาตุโลหะบริสุทธิ์ และ (iv) การเปลี่ยนสถานะของแข็งของเฟสที่ไม่เสถียร
โลหะแก้ว (Metallic Glass หรือ MG) มีลักษณะเด่นคือไม่มีระเบียบอะตอมระยะยาวที่เกี่ยวข้องกับผลึก ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของผลึก ในโลกปัจจุบัน มีความก้าวหน้าอย่างมากในด้านโลหะแก้ว วัสดุเหล่านี้เป็นวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติที่น่าสนใจ ซึ่งไม่เพียงแต่น่าสนใจในฟิสิกส์ของของแข็งเท่านั้น แต่ยังรวมถึงโลหะวิทยา เคมีพื้นผิว เทคโนโลยี ชีววิทยา และสาขาอื่นๆ อีกมากมาย วัสดุประเภทใหม่นี้มีคุณสมบัติที่แตกต่างจากโลหะแข็ง ทำให้เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับการประยุกต์ใช้ทางเทคโนโลยีในหลากหลายสาขา มีคุณสมบัติที่สำคัญบางประการ ได้แก่ (i) ความยืดหยุ่นเชิงกลและความแข็งแรงครากสูง (ii) การซึมผ่านของแม่เหล็กสูง (iii) แรงบีบอัดต่ำ (iv) ความต้านทานการกัดกร่อนที่ผิดปกติ (v) ไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ ค่าการนำไฟฟ้า 6.7
การผสมเชิงกล (Mechanical alloying, MA)1,8 เป็นวิธีการที่ค่อนข้างใหม่ ซึ่งศาสตราจารย์ KK Kok และเพื่อนร่วมงานได้นำเสนอเป็นครั้งแรกในปี 19839 พวกเขาผลิตผง Ni60Nb40 ที่เป็นอสัณฐานโดยการบดส่วนผสมของธาตุบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิแวดล้อมใกล้เคียงกับอุณหภูมิห้อง โดยทั่วไป ปฏิกิริยา MA จะดำเนินการระหว่างการเชื่อมประสานแบบแพร่กระจายของผงสารตั้งต้นในเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งมักทำจากสแตนเลส ในเครื่องบดลูกบอล 10 (รูปที่ 1a, b) ตั้งแต่นั้นมา วิธีการปฏิกิริยาของแข็งที่เหนี่ยวนำด้วยกลไกนี้ได้ถูกนำมาใช้เพื่อเตรียมผงโลหะผสมแก้วอสัณฐาน/โลหะชนิดใหม่โดยใช้เครื่องบดลูกบอลและเครื่องบดแท่งพลังงานต่ำ (รูปที่ 1c) และพลังงานสูง11,12,13,14,15,16 โดยเฉพาะอย่างยิ่ง วิธีนี้ถูกนำมาใช้เพื่อเตรียมระบบที่ไม่สามารถผสมกันได้ เช่น Cu-Ta17 รวมถึงโลหะผสมที่มีจุดหลอมเหลวสูง เช่น ระบบ Al-โลหะทรานซิชัน (TM, Zr, Hf, Nb และ Ta)18,19 และ Fe-W20 ซึ่งไม่สามารถได้มาด้วยวิธีการปรุงอาหารแบบดั้งเดิม นอกจากนี้ MA ยังถือเป็นหนึ่งในเครื่องมือทางนาโนเทคโนโลยีที่ทรงพลังที่สุดสำหรับการผลิตอนุภาคผงนาโนคริสตัลไลน์และนาโนคอมโพสิตของโลหะออกไซด์ คาร์ไบด์ ไนไตรด์ ไฮไดรด์ ท่อนาโนคาร์บอน เพชรนาโน ในระดับอุตสาหกรรม รวมถึงการรักษาเสถียรภาพในวงกว้างโดยใช้แนวทางจากบนลงล่าง 1 และสถานะกึ่งเสถียร
แผนภาพแสดงวิธีการผลิตที่ใช้ในการเตรียมสารเคลือบโลหะแก้ว Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 ในการศึกษาครั้งนี้ (a) การเตรียมผงโลหะผสม MC ที่มีความเข้มข้นของ Ni x ต่างๆ (x; 10, 20, 30 และ 40 at.%) โดยใช้วิธีการบดด้วยลูกบอลพลังงานต่ำ (b) วัสดุเริ่มต้นถูกบรรจุลงในกระบอกเครื่องมือพร้อมกับลูกบอลเหล็กกล้าเครื่องมือ และ (c) ปิดผนึกในกล่องถุงมือที่บรรจุบรรยากาศฮีเลียม (d) แบบจำลองโปร่งใสของภาชนะบดแสดงให้เห็นการเคลื่อนที่ของลูกบอลในระหว่างการบด ผลิตภัณฑ์ผงสุดท้ายที่ได้หลังจาก 50 ชั่วโมงถูกนำไปใช้ในการพ่นเคลือบเย็นบนพื้นผิว SUS 304
เมื่อพูดถึงพื้นผิวของวัสดุขนาดใหญ่ (ซับสเตรต) วิศวกรรมพื้นผิวเกี่ยวข้องกับการออกแบบและการปรับเปลี่ยนพื้นผิว (ซับสเตรต) เพื่อให้ได้คุณสมบัติทางกายภาพ เคมี และทางเทคนิคบางอย่างที่ไม่มีอยู่ในวัสดุเดิม คุณสมบัติบางอย่างที่สามารถปรับปรุงได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านการบำบัดพื้นผิว ได้แก่ ความต้านทานต่อการขัดถู การออกซิเดชัน และการกัดกร่อน ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน ความเฉื่อยทางชีวภาพ คุณสมบัติทางไฟฟ้า และฉนวนกันความร้อน เป็นต้น คุณภาพของพื้นผิวสามารถปรับปรุงได้ด้วยวิธีการทางโลหะวิทยา กลไก หรือเคมี การเคลือบผิวเป็นกระบวนการที่รู้จักกันดี โดยนิยามง่ายๆ ว่าเป็นชั้นของวัสดุหนึ่งชั้นหรือมากกว่าที่นำมาใช้กับพื้นผิวของวัตถุขนาดใหญ่ (ซับสเตรต) ที่ทำจากวัสดุอื่น ดังนั้น การเคลือบผิวจึงถูกนำมาใช้บางส่วนเพื่อให้ได้คุณสมบัติทางเทคนิคหรือการตกแต่งที่ต้องการ รวมถึงเพื่อปกป้องวัสดุจากปฏิกิริยาทางเคมีและทางกายภาพที่คาดว่าจะเกิดขึ้นกับสิ่งแวดล้อม²³
สามารถใช้วิธีการและเทคนิคที่หลากหลายในการเคลือบชั้นป้องกันที่เหมาะสม ตั้งแต่ความหนาไม่กี่ไมโครเมตร (ต่ำกว่า 10-20 ไมโครเมตร) ไปจนถึงมากกว่า 30 ไมโครเมตร หรือแม้กระทั่งหลายมิลลิเมตร โดยทั่วไป กระบวนการเคลือบสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: (i) วิธีการเคลือบแบบเปียก ซึ่งรวมถึงการชุบด้วยไฟฟ้า การชุบด้วยไฟฟ้า และการชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อน และ (ii) วิธีการเคลือบแบบแห้ง ซึ่งรวมถึงการบัดกรี การเคลือบผิวแข็ง การตกตะกอนไอระเหยทางกายภาพ (PVD) การตกตะกอนไอระเหยทางเคมี (CVD) เทคนิคการพ่นด้วยความร้อน และล่าสุดคือเทคนิคการพ่นเย็น 24 (รูปที่ 1d)
ไบโอฟิล์มถูกนิยามว่าเป็นกลุ่มจุลินทรีย์ที่ยึดติดกับพื้นผิวอย่างถาวรและถูกล้อมรอบด้วยพอลิเมอร์นอกเซลล์ (EPS) ที่ผลิตขึ้นเอง การก่อตัวของไบโอฟิล์มที่เจริญเต็มที่บนพื้นผิวอาจนำไปสู่ความสูญเสียอย่างมากในหลายอุตสาหกรรม รวมถึงการแปรรูปอาหาร ระบบน้ำ และการดูแลสุขภาพ ในมนุษย์ การก่อตัวของไบโอฟิล์มทำให้การติดเชื้อจุลินทรีย์มากกว่า 80% (รวมถึง Enterobacteriaceae และ Staphylococci) รักษาได้ยาก นอกจากนี้ มีรายงานว่าไบโอฟิล์มที่เจริญเต็มที่แล้วมีความต้านทานต่อยาปฏิชีวนะมากกว่าเซลล์แบคทีเรียที่ลอยอยู่ในของเหลวถึง 1000 เท่า ซึ่งถือเป็นความท้าทายในการรักษาที่สำคัญ ในอดีตมีการใช้วัสดุเคลือบผิวต้านจุลินทรีย์ที่ได้จากสารประกอบอินทรีย์ทั่วไป แม้ว่าวัสดุดังกล่าวจะมีส่วนประกอบที่เป็นพิษซึ่งอาจเป็นอันตรายต่อมนุษย์ได้^25,26 แต่ก็สามารถช่วยป้องกันการแพร่กระจายของแบคทีเรียและการเสื่อมสภาพของวัสดุได้
การดื้อยาปฏิชีวนะของแบคทีเรียอย่างแพร่หลายเนื่องจากการก่อตัวของไบโอฟิล์ม ทำให้เกิดความจำเป็นในการพัฒนาพื้นผิวเคลือบเมมเบรนต้านจุลชีพที่มีประสิทธิภาพซึ่งสามารถนำไปใช้ได้อย่างปลอดภัย27 การพัฒนาพื้นผิวป้องกันการเกาะติดทางกายภาพหรือทางเคมีที่เซลล์แบคทีเรียไม่สามารถเกาะติดและก่อตัวเป็นไบโอฟิล์มได้นั้นเป็นแนวทางแรกในกระบวนการนี้27 เทคโนโลยีที่สองคือการพัฒนาสารเคลือบที่ส่งสารเคมีต้านจุลชีพไปยังตำแหน่งที่ต้องการอย่างแม่นยำ ในปริมาณที่เข้มข้นและปรับแต่งได้ ซึ่งทำได้โดยการพัฒนาวัสดุเคลือบที่เป็นเอกลักษณ์ เช่น กราฟีน/เจอร์มาเนียม28 เพชรสีดำ29 และสารเคลือบคาร์บอนคล้ายเพชรที่เจือด้วย ZnO30 ซึ่งทนต่อแบคทีเรีย เทคโนโลยีที่เพิ่มการพัฒนาความเป็นพิษและการดื้อยาเนื่องจากการก่อตัวของไบโอฟิล์มให้สูงสุด นอกจากนี้ สารเคลือบที่มีสารเคมีฆ่าเชื้อโรคที่ให้การป้องกันการปนเปื้อนของแบคทีเรียในระยะยาวกำลังได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ แม้ว่าทั้งสามวิธีจะสามารถออกฤทธิ์ต้านจุลชีพบนพื้นผิวเคลือบได้ แต่แต่ละวิธีก็มีข้อจำกัดของตนเองที่ควรพิจารณาเมื่อพัฒนากลยุทธ์การใช้งาน
ผลิตภัณฑ์ที่วางจำหน่ายอยู่ในปัจจุบันประสบปัญหาจากการขาดเวลาในการวิเคราะห์และทดสอบสารเคลือบป้องกันสำหรับส่วนประกอบที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพ บริษัทต่างๆ อ้างว่าผลิตภัณฑ์ของตนจะมอบคุณสมบัติการใช้งานที่ผู้ใช้ต้องการ อย่างไรก็ตาม นี่กลับกลายเป็นอุปสรรคต่อความสำเร็จของผลิตภัณฑ์ที่วางจำหน่ายอยู่ในปัจจุบัน สารประกอบที่ได้จากเงินถูกนำมาใช้ในสารต้านจุลชีพส่วนใหญ่ที่มีจำหน่ายให้กับผู้บริโภคในปัจจุบัน ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อปกป้องผู้ใช้จากการสัมผัสกับจุลินทรีย์ที่อาจเป็นอันตราย ผลการต้านจุลชีพที่ล่าช้าและความเป็นพิษที่เกี่ยวข้องของสารประกอบเงินเพิ่มแรงกดดันให้แก่นักวิจัยในการพัฒนาทางเลือกที่อันตรายน้อยกว่า36,37 การสร้างสารเคลือบต้านจุลชีพทั่วโลกที่ทำงานได้ทั้งภายในและภายนอกยังคงเป็นความท้าทาย ซึ่งมาพร้อมกับความเสี่ยงด้านสุขภาพและความปลอดภัย การค้นพบสารต้านจุลชีพที่เป็นอันตรายต่อมนุษย์น้อยลงและการหาวิธีที่จะรวมมันเข้ากับพื้นผิวการเคลือบที่มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นเป็นเป้าหมายที่ทุกคนต้องการ38 วัสดุต้านจุลชีพและต้านไบโอฟิล์มรุ่นล่าสุดได้รับการออกแบบมาเพื่อฆ่าแบคทีเรียในระยะใกล้ ไม่ว่าจะโดยการสัมผัสโดยตรงหรือหลังจากปล่อยสารออกฤทธิ์ พวกมันสามารถทำเช่นนี้ได้โดยการยับยั้งการเกาะติดของแบคทีเรียในระยะเริ่มต้น (รวมถึงการป้องกันการก่อตัวของชั้นโปรตีนบนพื้นผิว) หรือโดยการฆ่าแบคทีเรียโดยการรบกวนผนังเซลล์
โดยพื้นฐานแล้ว การเคลือบผิวคือกระบวนการของการใช้ชั้นเคลือบอีกชั้นหนึ่งกับพื้นผิวของชิ้นส่วนเพื่อปรับปรุงคุณลักษณะของพื้นผิว จุดประสงค์ของการเคลือบผิวคือการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคและ/หรือองค์ประกอบของบริเวณใกล้พื้นผิวของชิ้นส่วน39 วิธีการเคลือบผิวสามารถแบ่งออกเป็นวิธีการต่างๆ ซึ่งสรุปไว้ในรูปที่ 2a การเคลือบผิวสามารถแบ่งออกเป็นประเภทความร้อน เคมี ทางกายภาพ และทางไฟฟ้าเคมี ขึ้นอยู่กับวิธีการที่ใช้ในการสร้างการเคลือบผิว
(ก) ภาพแทรกแสดงเทคนิคการผลิตพื้นผิวหลัก และ (ข) ข้อดีและข้อเสียที่เลือกไว้ของวิธีการพ่นเย็น
เทคโนโลยีการพ่นเย็นมีหลายอย่างที่คล้ายคลึงกับเทคนิคการพ่นด้วยความร้อนแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม ยังมีคุณสมบัติพื้นฐานที่สำคัญบางประการที่ทำให้กระบวนการพ่นเย็นและวัสดุที่ได้จากการพ่นเย็นมีความเป็นเอกลักษณ์เฉพาะตัว เทคโนโลยีการพ่นเย็นยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่มีอนาคตที่สดใส ในบางกรณี คุณสมบัติเฉพาะของการพ่นเย็นให้ประโยชน์อย่างมาก โดยเอาชนะข้อจำกัดของเทคนิคการพ่นด้วยความร้อนแบบดั้งเดิม มันเอาชนะข้อจำกัดที่สำคัญของเทคโนโลยีการพ่นด้วยความร้อนแบบดั้งเดิม ซึ่งผงจะต้องถูกหลอมละลายเพื่อนำไปเคลือบลงบนพื้นผิว เห็นได้ชัดว่ากระบวนการเคลือบแบบดั้งเดิมนี้ไม่เหมาะสำหรับวัสดุที่ไวต่ออุณหภูมิสูง เช่น นาโนคริสตัล นาโนอนุภาค อมอร์ฟัส และแก้วโลหะ40, 41, 42 นอกจากนี้ วัสดุเคลือบที่ได้จากการพ่นด้วยความร้อนมักมีรูพรุนและออกไซด์ในระดับสูง เทคโนโลยีการพ่นเย็นมีข้อดีที่สำคัญหลายประการเหนือกว่าเทคโนโลยีการพ่นด้วยความร้อน เช่น (i) การป้อนความร้อนไปยังพื้นผิวน้อยที่สุด (ii) ความยืดหยุ่นในการเลือกการเคลือบพื้นผิว (iii) ไม่มีการเปลี่ยนแปลงเฟสและการเติบโตของเกรน (iv) ความแข็งแรงในการยึดเกาะสูง1 .39 (รูปที่ 2b) นอกจากนี้ วัสดุเคลือบแบบพ่นเย็นยังมีคุณสมบัติทนต่อการกัดกร่อนสูง มีความแข็งแรงและความแข็งสูง มีการนำไฟฟ้าสูง และมีความหนาแน่นสูง41 ถึงแม้ว่ากระบวนการพ่นเย็นจะมีข้อดีหลายประการ แต่ก็ยังมีข้อเสียอยู่บ้าง ดังแสดงในรูปที่ 2b เมื่อเคลือบผงเซรามิกบริสุทธิ์ เช่น Al2O3, TiO2, ZrO2, WC เป็นต้น ไม่สามารถใช้วิธีการพ่นเย็นได้ ในทางกลับกัน ผงคอมโพสิตเซรามิก/โลหะสามารถใช้เป็นวัตถุดิบในการเคลือบได้ เช่นเดียวกับวิธีการพ่นด้วยความร้อนอื่นๆ พื้นผิวที่ยากต่อการพ่นและภายในท่อยังคงทำได้ยาก
เนื่องจากงานวิจัยนี้มุ่งเน้นไปที่การใช้ผงโลหะแก้วเป็นวัสดุเริ่มต้นสำหรับการเคลือบผิว จึงเห็นได้ชัดว่าการพ่นเคลือบด้วยความร้อนแบบดั้งเดิมไม่สามารถนำมาใช้เพื่อวัตถุประสงค์นี้ได้ เนื่องจากผงโลหะแก้วจะตกผลึกที่อุณหภูมิสูง¹
เครื่องมือส่วนใหญ่ที่ใช้ในอุตสาหกรรมการแพทย์และอาหารทำจากโลหะผสมสแตนเลสออสเทนิติก (SUS316 และ SUS304) ที่มีปริมาณโครเมียม 12 ถึง 20% โดยน้ำหนักสำหรับการผลิตเครื่องมือผ่าตัด เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าการใช้โลหะโครเมียมเป็นธาตุผสมในโลหะผสมเหล็กสามารถปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อนของโลหะผสมเหล็กมาตรฐานได้อย่างมีนัยสำคัญ โลหะผสมสแตนเลสแม้จะมีความต้านทานการกัดกร่อนสูง แต่ก็ไม่มีคุณสมบัติต้านจุลชีพที่สำคัญ38,39 ซึ่งขัดแย้งกับความต้านทานการกัดกร่อนที่สูง ดังนั้นจึงสามารถคาดการณ์การพัฒนาของการติดเชื้อและการอักเสบ ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากการยึดเกาะและการตั้งรกรากของแบคทีเรียบนพื้นผิวของวัสดุชีวภาพสแตนเลส ความยากลำบากอย่างมากอาจเกิดขึ้นเนื่องจากความยากลำบากอย่างมากที่เกี่ยวข้องกับการยึดเกาะของแบคทีเรียและการก่อตัวของไบโอฟิล์ม ซึ่งอาจนำไปสู่ปัญหาสุขภาพ ซึ่งอาจมีผลกระทบหลายประการที่ส่งผลต่อสุขภาพของมนุษย์โดยตรงหรือโดยอ้อม
การศึกษาครั้งนี้เป็นระยะแรกของโครงการที่ได้รับทุนสนับสนุนจากมูลนิธิส่งเสริมวิทยาศาสตร์แห่งคูเวต (KFAS) สัญญาเลขที่ 2010-550401 เพื่อตรวจสอบความเป็นไปได้ในการผลิตผงโลหะผสม Cu-Zr-Ni แบบแก้วโดยใช้เทคโนโลยี MA (ตารางที่ 1) สำหรับการผลิตฟิล์ม/สารเคลือบป้องกันพื้นผิวต้านเชื้อแบคทีเรีย SUS304 ระยะที่สองของโครงการซึ่งจะเริ่มในเดือนมกราคม 2023 จะศึกษาลักษณะการกัดกร่อนแบบกัลวานิกและคุณสมบัติทางกลของระบบอย่างละเอียด และจะมีการทดสอบทางจุลชีววิทยาอย่างละเอียดสำหรับแบคทีเรียหลายชนิด
บทความนี้กล่าวถึงผลกระทบของปริมาณโลหะผสม Zr ต่อความสามารถในการขึ้นรูปแก้ว (GFA) โดยพิจารณาจากลักษณะทางสัณฐานวิทยาและโครงสร้าง นอกจากนี้ยังได้กล่าวถึงคุณสมบัติในการต้านเชื้อแบคทีเรียของวัสดุคอมโพสิตโลหะผสมแก้ว/SUS304 ที่เคลือบด้วยผงโลหะ ยิ่งไปกว่านั้น ยังมีการดำเนินการวิจัยอย่างต่อเนื่องเพื่อตรวจสอบความเป็นไปได้ของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของผงโลหะผสมแก้วที่เกิดขึ้นระหว่างการพ่นเย็นในบริเวณของเหลวเย็นยิ่งยวดของระบบโลหะผสมแก้วที่ผลิตขึ้น โดยใช้โลหะผสมแก้ว Cu50Zr30Ni20 และ Cu50Zr20Ni30 เป็นตัวอย่างในการศึกษาครั้งนี้
ส่วนนี้จะนำเสนอการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาของผงโลหะ Cu, Zr และ Ni ระหว่างกระบวนการบดด้วยลูกบอลพลังงานต่ำ โดยจะใช้ระบบสองแบบที่แตกต่างกัน คือ Cu50Zr20Ni30 และ Cu50Zr40Ni10 เป็นตัวอย่างประกอบ กระบวนการบดด้วยลูกบอลสามารถแบ่งออกเป็นสามขั้นตอนแยกกัน ดังที่เห็นได้จากลักษณะทางโลหะวิทยาของผงที่ได้ในขั้นตอนการบด (รูปที่ 3)
ลักษณะทางโลหะวิทยาของผงโลหะผสมเชิงกล (MA) ที่ได้หลังจากขั้นตอนการบดด้วยลูกบอลต่างๆ ภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนด้วยการปล่อยสนาม (FE-SEM) ของผง MA และ Cu50Zr40Ni10 ที่ได้หลังจากบดด้วยลูกบอลพลังงานต่ำเป็นเวลา 3, 12 และ 50 ชั่วโมง แสดงใน (a), (c) และ (e) สำหรับระบบ Cu50Zr20Ni30 ในขณะที่ MA เดียวกัน ภาพที่สอดคล้องกันของระบบ Cu50Zr40Ni10 ที่ถ่ายหลังจากเวลาต่างๆ แสดงใน (b), (d) และ (f)
ในระหว่างการบดด้วยลูกบอล พลังงานจลน์ที่มีประสิทธิภาพที่สามารถถ่ายโอนไปยังผงโลหะได้นั้นได้รับผลกระทบจากพารามิเตอร์หลายประการ ดังแสดงในรูปที่ 1a ซึ่งรวมถึงการชนกันระหว่างลูกบอลและผง การบีบอัดแบบเฉือนของผงที่ติดอยู่ระหว่างตัวกลางการบด การกระแทกจากลูกบอลที่ตกลงมา การเฉือนและการสึกหรอที่เกิดจากการลากของผงระหว่างตัวบดที่เคลื่อนที่ และคลื่นกระแทกที่ผ่านลูกบอลที่ตกลงมาและแพร่กระจายผ่านตัวอย่างที่บรรจุอยู่ (รูปที่ 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 мм в диаметре). ผงธาตุ Cu, Zr และ Ni เกิดการเสียรูปอย่างรุนแรงเนื่องจากการเชื่อมเย็นในระยะเริ่มต้นของกระบวนการ MA (3 ชั่วโมง) ซึ่งส่งผลให้เกิดอนุภาคผงขนาดใหญ่ (> 1 มม. ในเส้นผ่านศูนย์กลาง)อนุภาคคอมโพสิตขนาดใหญ่เหล่านี้มีลักษณะเฉพาะคือการก่อตัวของชั้นหนาของธาตุโลหะผสม (Cu, Zr, Ni) ดังแสดงในรูปที่ 3a,b การเพิ่มเวลาการบดด้วยลูกบอลเป็น 12 ชั่วโมง (ขั้นตอนกลาง) ส่งผลให้พลังงานจลน์ของเครื่องบดลูกบอลเพิ่มขึ้น ซึ่งนำไปสู่การสลายตัวของผงคอมโพสิตเป็นผงขนาดเล็กกว่า (น้อยกว่า 200 ไมโครเมตร) ดังแสดงในรูปที่ 3c ในขั้นตอนนี้ แรงเฉือนที่ใช้จะนำไปสู่การก่อตัวของพื้นผิวโลหะใหม่ที่มีชั้นบางๆ ของ Cu, Zr, Ni ดังแสดงในรูปที่ 3c,d ผลจากการบดชั้นที่ส่วนต่อประสานของเกล็ด ทำให้เกิดปฏิกิริยาในเฟสของแข็งพร้อมกับการก่อตัวของเฟสใหม่
เมื่อถึงจุดสูงสุดในกระบวนการ MA (หลังจาก 50 ชั่วโมง) แทบจะไม่เห็นร่องรอยของโลหะแบบเกล็ด (รูปที่ 3e, f) และสังเกตเห็นร่องรอยของโลหะแบบกระจกบนพื้นผิวที่ขัดเงาของผง ซึ่งหมายความว่ากระบวนการ MA เสร็จสมบูรณ์แล้วและเกิดเฟสปฏิกิริยาเดียวขึ้น องค์ประกอบทางเคมีของบริเวณที่ระบุในรูปที่ 3e (I, II, III), f, v, vi) ถูกกำหนดโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนสนามแม่เหล็ก (FE-SEM) ร่วมกับการวิเคราะห์สเปกตรัมรังสีเอกซ์แบบกระจายพลังงาน (EDS) (IV)
ในตารางที่ 2 แสดงความเข้มข้นของธาตุผสมในรูปเปอร์เซ็นต์ของมวลรวมของแต่ละบริเวณที่เลือกในรูปที่ 3e, f เมื่อเปรียบเทียบผลลัพธ์เหล่านี้กับองค์ประกอบเริ่มต้นของ Cu50Zr20Ni30 และ Cu50Zr40Ni10 ที่แสดงในตารางที่ 1 จะเห็นได้ว่าองค์ประกอบของผลิตภัณฑ์สุดท้ายทั้งสองนี้ใกล้เคียงกับองค์ประกอบที่กำหนดไว้มาก นอกจากนี้ ค่าสัมพัทธ์ของส่วนประกอบสำหรับบริเวณต่างๆ ที่แสดงในรูปที่ 3e, f ไม่ได้บ่งชี้ถึงการเสื่อมสภาพหรือการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญในองค์ประกอบของแต่ละตัวอย่างจากบริเวณหนึ่งไปยังอีกบริเวณหนึ่ง ซึ่งเห็นได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบจากบริเวณหนึ่งไปยังอีกบริเวณหนึ่ง สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงการผลิตผงโลหะผสมที่สม่ำเสมอ ดังแสดงในตารางที่ 2
ภาพถ่าย FE-SEM ของผงผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย Cu50(Zr50-xNix) ได้รับหลังจากทำการบดด้วยเครื่องจักร 50 ครั้ง ดังแสดงในรูปที่ 4a-d โดยที่ x คือ 10, 20, 30 และ 40 อะตอมเปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ หลังจากขั้นตอนการบดนี้ ผงจะเกิดการรวมตัวกันเนื่องจากผลของแรงแวนเดอร์วาลส์ ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของกลุ่มก้อนขนาดใหญ่ที่ประกอบด้วยอนุภาคละเอียดพิเศษที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 73 ถึง 126 นาโนเมตร ดังแสดงในรูปที่ 4
ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของผง Cu50(Zr50-xNix) ที่ได้หลังจากการบดด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแมสสเปกโทรเมตรี (MA) เป็นเวลา 50 ชั่วโมง สำหรับระบบ Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 และ Cu50Zr10Ni40 ภาพ FE-SEM ของผงที่ได้หลังจากการบดด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแมสสเปกโทรเมตรี 50 ชั่วโมง แสดงใน (a), (b), (c) และ (d) ตามลำดับ
ก่อนที่จะนำผงโลหะใส่ลงในเครื่องป้อนแบบพ่นเย็น จะต้องนำผงโลหะไปผ่านกระบวนการอัลตราโซนิกในเอทานอลเกรดวิเคราะห์เป็นเวลา 15 นาที แล้วจึงอบแห้งที่อุณหภูมิ 150°C เป็นเวลา 2 ชั่วโมง ขั้นตอนนี้จำเป็นต้องทำเพื่อป้องกันการจับตัวเป็นก้อน ซึ่งมักก่อให้เกิดปัญหามากมายในกระบวนการเคลือบ หลังจากเสร็จสิ้นกระบวนการ MA แล้ว ได้มีการศึกษาเพิ่มเติมเพื่อตรวจสอบความสม่ำเสมอของผงโลหะผสม รูปที่ 5a–d แสดงภาพจุลภาค FE-SEM และภาพ EDS ที่สอดคล้องกันของธาตุผสม Cu, Zr และ Ni ของโลหะผสม Cu50Zr30Ni20 ที่ถ่ายหลังจากเวลา M 50 ชั่วโมง ตามลำดับ ควรสังเกตว่าผงโลหะผสมที่ได้หลังจากขั้นตอนนี้มีความสม่ำเสมอ เนื่องจากไม่แสดงความผันผวนขององค์ประกอบเกินระดับย่อยนาโนเมตร ดังแสดงในรูปที่ 5
ลักษณะทางสัณฐานวิทยาและการกระจายตัวของธาตุในผง MG Cu50Zr30Ni20 ที่ได้หลังจาก 50 MA โดยใช้ FE-SEM/Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) (a) ภาพ SEM และ X-ray EDS ของ (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα และ (d) Ni-Kα
รูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ของผงโลหะผสมเชิงกล Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 และ Cu50Zr20Ni30 ที่ได้หลังจากกระบวนการบดเชิงกลเป็นเวลา 50 ชั่วโมง แสดงในรูปที่ 6a–d ตามลำดับ หลังจากขั้นตอนการบดนี้ ตัวอย่างทั้งหมดที่มีความเข้มข้นของ Zr ต่างกันมีโครงสร้างอสัณฐานที่มีรูปแบบการแพร่กระจายแบบฮาโลที่เป็นลักษณะเฉพาะดังแสดงในรูปที่ 6
รูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ของผง Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) และ Cu50Zr20Ni30 (d) หลังจากผ่านกระบวนการ MA เป็นเวลา 50 ชั่วโมง พบรูปแบบการแพร่แบบฮาโลในทุกตัวอย่างโดยไม่มีข้อยกเว้น ซึ่งบ่งชี้ถึงการก่อตัวของเฟสอสัณฐาน
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านสนามปล่อยอิเล็กตรอนความละเอียดสูง (FE-HRTEM) ถูกนำมาใช้เพื่อสังเกตการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและทำความเข้าใจโครงสร้างเฉพาะที่ของผงที่ได้จากการบดด้วยลูกบอลที่เวลาการบดแบบกลไก (MA) ต่างกัน ภาพของผงที่ได้จากวิธี FE-HRTEM หลังจากการบดผง Cu50Zr30Ni20 และ Cu50Zr40Ni10 ในช่วงเริ่มต้น (6 ชั่วโมง) และช่วงกลาง (18 ชั่วโมง) แสดงในรูปที่ 7a ตามลำดับ จากภาพสนามสว่าง (BFI) ของผงที่ได้หลังจากบดแบบกลไก 6 ชั่วโมง พบว่าผงประกอบด้วยเม็ดขนาดใหญ่ที่มีขอบเขตที่ชัดเจนของธาตุ fcc-Cu, hcp-Zr และ fcc-Ni และไม่มีสัญญาณของการเกิดเฟสปฏิกิริยา ดังแสดงในรูปที่ 7a นอกจากนี้ รูปแบบการเลี้ยวเบนของพื้นที่ที่เลือกแบบสัมพันธ์กัน (SADP) ที่ได้จากบริเวณตรงกลาง (a) เผยให้เห็นรูปแบบการเลี้ยวเบนที่คมชัด (รูปที่ 7b) ซึ่งบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของผลึกขนาดใหญ่และการไม่มีเฟสที่เกิดปฏิกิริยา
ลักษณะโครงสร้างเฉพาะที่ของผง MA ที่ได้หลังจากขั้นตอนเริ่มต้น (6 ชั่วโมง) และขั้นตอนกลาง (18 ชั่วโมง) (a) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านสนามความละเอียดสูง (FE-HRTEM) และ (b) แผนภาพการเลี้ยวเบนของพื้นที่ที่เลือก (SADP) ที่สอดคล้องกันของผง Cu50Zr30Ni20 หลังจากได้รับการบำบัดด้วย MA เป็นเวลา 6 ชั่วโมง ภาพ FE-HRTEM ของ Cu50Zr40Ni10 ที่ได้หลังจาก MA เป็นเวลา 18 ชั่วโมงแสดงใน (c)
ดังแสดงในรูปที่ 7c การเพิ่มระยะเวลาของ MA เป็น 18 ชั่วโมง ส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องของโครงสร้างผลึกอย่างรุนแรงควบคู่กับการเสียรูปพลาสติก ในขั้นตอนกลางของกระบวนการ MA นี้ ข้อบกพร่องต่างๆ ปรากฏขึ้นในผง รวมถึงข้อบกพร่องในการเรียงตัว ข้อบกพร่องของโครงสร้างผลึก และข้อบกพร่องแบบจุด (รูปที่ 7) ข้อบกพร่องเหล่านี้ทำให้เกรนขนาดใหญ่แตกตัวตามขอบเกรนกลายเป็นเกรนย่อยที่มีขนาดเล็กกว่า 20 นาโนเมตร (รูปที่ 7c)
โครงสร้างเฉพาะที่ของผง Cu50Z30Ni20 ที่ผ่านการบดด้วยเครื่องบดแบบกลไก (MA) เป็นเวลา 36 ชั่วโมง มีลักษณะเฉพาะคือการก่อตัวของอนุภาคนาโนขนาดเล็กมากที่ฝังอยู่ในเมทริกซ์บางๆ ที่เป็นอสัณฐาน ดังแสดงในรูปที่ 8a การวิเคราะห์ EMF เฉพาะที่แสดงให้เห็นว่ากลุ่มนาโนที่แสดงในรูปที่ 8a นั้นเกี่ยวข้องกับผงโลหะผสม Cu, Zr และ Ni ที่ไม่ผ่านการบำบัด ปริมาณของ Cu ในเมทริกซ์แตกต่างกันไปตั้งแต่ประมาณ 32 อะตอมเปอร์เซ็นต์ (โซนต่ำ) ถึงประมาณ 74 อะตอมเปอร์เซ็นต์ (โซนสูง) ซึ่งบ่งชี้ถึงการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน นอกจากนี้ SADP ที่สอดคล้องกันของผงที่ได้หลังจากการบดในขั้นตอนนี้แสดงให้เห็นวงแหวนเฟสอสัณฐานแบบฮาโลดิฟฟิวชันปฐมภูมิและทุติยภูมิที่ทับซ้อนกันกับจุดแหลมที่เกี่ยวข้องกับธาตุโลหะผสมที่ไม่ผ่านการบำบัดเหล่านี้ ดังแสดงในรูปที่ 8b
ลักษณะโครงสร้างเฉพาะที่ระดับนาโนของผง Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20 (a) ภาพสนามสว่าง (BFI) และ (b) SADP ที่สอดคล้องกันของผง Cu50Zr30Ni20 ที่ได้หลังจากการบดด้วยเครื่องจักรเป็นเวลา 36 ชั่วโมง
เมื่อใกล้สิ้นสุดกระบวนการ MA (50 ชั่วโมง) ผง Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 และ 40 at.% มีลักษณะโครงสร้างแบบเขาวงกตของเฟสอสัณฐาน ดังแสดงในรูปที่ ไม่พบการเลี้ยวเบนแบบจุดหรือรูปแบบวงแหวนที่คมชัดใน SADS ที่สอดคล้องกันของแต่ละองค์ประกอบ ซึ่งบ่งชี้ว่าไม่มีโลหะผลึกที่ไม่ผ่านการบำบัด แต่เป็นการก่อตัวของผงโลหะผสมอสัณฐาน SADP ที่สัมพันธ์กันเหล่านี้ซึ่งแสดงรูปแบบการแพร่กระจายแบบฮาโลยังถูกใช้เป็นหลักฐานสำหรับการพัฒนาเฟสอสัณฐานในวัสดุผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายด้วย
โครงสร้างเฉพาะที่ของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของระบบ Cu50 MS (Zr50-xNix) ภาพ FE-HRTEM และรูปแบบการเลี้ยวเบนของลำแสงนาโนที่สัมพันธ์กัน (NBDP) ของ (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 และ (d) Cu50Zr10Ni40 ที่ได้หลังจาก 50 ชั่วโมงของ MA
โดยใช้เทคนิคแคลอริเมตรีแบบสแกนเชิงอนุพันธ์ (DSC) ศึกษาเสถียรภาพทางความร้อนของอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะแก้ว (Tg) บริเวณของเหลวเย็นยิ่งยวด (ΔTx) และอุณหภูมิการตกผลึก (Tx) โดยขึ้นอยู่กับปริมาณของ Ni (x) ในระบบอสัณฐาน Cu50(Zr50-xNix) (DSC) ในกระแสแก๊สฮีเลียม เส้นโค้ง DSC ของผงโลหะผสมอสัณฐาน Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 และ Cu50Zr10Ni40 ที่ได้หลังจากการบดละเอียดด้วยความร้อน (MA) เป็นเวลา 50 ชั่วโมง แสดงในรูปที่ 10a, b, e ตามลำดับ ในขณะที่เส้นโค้ง DSC ของอสัณฐาน Cu50Zr20Ni30 แสดงแยกต่างหากในรูปที่ 10 ส่วนตัวอย่าง Cu50Zr30Ni20 ที่ให้ความร้อนถึงประมาณ 700°C ใน DSC แสดงในรูปที่ 10g
ความเสถียรทางความร้อนของผงโลหะผสม Cu50(Zr50-xNix) MG ที่ได้หลังจากการทำ MA เป็นเวลา 50 ชั่วโมง ถูกกำหนดโดยอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะแก้ว (Tg) อุณหภูมิการตกผลึก (Tx) และบริเวณของของเหลวที่เย็นตัวเกิน (ΔTx) เทอร์โมแกรมของผงโลหะผสม Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) และ (e) Cu50Zr10Ni40 MG ที่ได้จากการวิเคราะห์ด้วยเครื่องวัดความร้อนแบบดิฟเฟอเรนเชียลสแกนนิงแคลอริเมตรี (DSC) หลังจากการทำ MA เป็นเวลา 50 ชั่วโมง รูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) ของตัวอย่าง Cu50Zr30Ni20 ที่ถูกให้ความร้อนถึงประมาณ 700°C ใน DSC แสดงใน (d)
ดังแสดงในรูปที่ 10 เส้นโค้ง DSC สำหรับองค์ประกอบทั้งหมดที่มีความเข้มข้นของนิกเกล (x) ต่างกัน แสดงให้เห็นสองกรณีที่แตกต่างกัน คือ กรณีดูดความร้อนและกรณีคายความร้อน เหตุการณ์ดูดความร้อนแรกสอดคล้องกับ Tg และเหตุการณ์ที่สองเกี่ยวข้องกับ Tx พื้นที่ช่วงแนวนอนที่อยู่ระหว่าง Tg และ Tx เรียกว่าพื้นที่ของของเหลวที่เย็นตัวลง (ΔTx = Tx – Tg) ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่า Tg และ Tx ของตัวอย่าง Cu50Zr40Ni10 (รูปที่ 10a) ที่อุณหภูมิ 526°C และ 612°C มีการเปลี่ยนแปลงปริมาณ (x) ไปทางด้านอุณหภูมิต่ำที่ 482°C และ 563°C ตามลำดับ เมื่อปริมาณ Ni (x) เพิ่มขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 10b ดังนั้น ΔTx Cu50Zr40Ni10 จึงลดลงจาก 86°C (รูปที่ 10a) เหลือ 81°C สำหรับ Cu50Zr30Ni20 (รูปที่ 10b) สำหรับโลหะผสม MC Cu50Zr40Ni10 พบว่าค่า Tg, Tx และ ΔTx ลดลงเหลือ 447°C, 526°C และ 79°C ตามลำดับ (รูปที่ 10b) ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มปริมาณ Ni ส่งผลให้ความเสถียรทางความร้อนของโลหะผสม MS ลดลง ในทางตรงกันข้าม ค่า Tg (507°C) ของโลหะผสม MC Cu50Zr20Ni30 ต่ำกว่าโลหะผสม MC Cu50Zr40Ni10 แต่ค่า Tx กลับใกล้เคียงกัน (612°C) ดังนั้น ΔTx จึงมีค่าสูงกว่า (87°C) ดังแสดงในรูปที่ 10b ศตวรรษที่ 10
ระบบ Cu50(Zr50-xNix) MC โดยใช้โลหะผสม Cu50Zr20Ni30 MC เป็นตัวอย่าง จะเกิดการตกผลึกผ่านจุดสูงสุดคายความร้อนอย่างรวดเร็วไปเป็นเฟสผลึก fcc-ZrCu5, orthorhombic-Zr7Cu10 และ orthorhombic-ZrNi (รูปที่ 10c) การเปลี่ยนเฟสจากอสัณฐานเป็นผลึกนี้ได้รับการยืนยันโดยการวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ของตัวอย่าง MG (รูปที่ 10d) ซึ่งถูกให้ความร้อนถึง 700 °C ใน DSC
ภาพที่ 11 แสดงภาพถ่ายระหว่างกระบวนการพ่นเย็นที่ดำเนินการในงานวิจัยนี้ ในการศึกษาครั้งนี้ อนุภาคผงโลหะแก้วที่สังเคราะห์ขึ้นหลังจากการทำ MA เป็นเวลา 50 ชั่วโมง (โดยใช้ Cu50Zr20Ni30 เป็นตัวอย่าง) ถูกนำมาใช้เป็นวัตถุดิบต้านเชื้อแบคทีเรีย และแผ่นสแตนเลส (SUS304) ถูกเคลือบด้วยการพ่นเย็น วิธีการพ่นเย็นถูกเลือกใช้สำหรับการเคลือบในชุดเทคโนโลยีการพ่นด้วยความร้อน เนื่องจากเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในชุดเทคโนโลยีการพ่นด้วยความร้อน ซึ่งสามารถใช้ได้กับวัสดุโลหะที่ไวต่อความร้อนและไม่เสถียร เช่น ผงอสัณฐานและนาโนคริสตัลไลน์ ที่ไม่เกิดการเปลี่ยนเฟส นี่คือปัจจัยหลักในการเลือกวิธีนี้ กระบวนการตกตะกอนเย็นดำเนินการโดยใช้อนุภาคความเร็วสูงที่แปลงพลังงานจลน์ของอนุภาคเป็นการเสียรูปพลาสติก การเสียรูป และความร้อนเมื่อกระทบกับพื้นผิวหรืออนุภาคที่ตกตะกอนไว้ก่อนหน้านี้
ภาพถ่ายภาคสนามแสดงให้เห็นขั้นตอนการพ่นเย็นที่ใช้ในการเตรียม MG/SUS 304 จำนวน 5 ครั้งติดต่อกันที่อุณหภูมิ 550°C
พลังงานจลน์ของอนุภาค รวมทั้งโมเมนตัมของแต่ละอนุภาคในระหว่างการก่อตัวของสารเคลือบ จะต้องถูกแปลงเป็นพลังงานรูปแบบอื่นผ่านกลไกต่างๆ เช่น การเสียรูปพลาสติก (อนุภาคหลักและปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคในเมทริกซ์และปฏิสัมพันธ์ของอนุภาค) ปมแทรกของของแข็ง การหมุนระหว่างอนุภาค การเสียรูป และความร้อนที่จำกัด 39 นอกจากนี้ หากพลังงานจลน์ที่เข้ามาทั้งหมดไม่ถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อนและพลังงานการเสียรูป ผลที่ได้จะเป็นการชนแบบยืดหยุ่น ซึ่งหมายความว่าอนุภาคจะกระเด็นออกไปหลังจากชนกัน มีข้อสังเกตว่า 90% ของพลังงานการชนที่ใช้กับวัสดุอนุภาค/พื้นผิวจะถูกแปลงเป็นความร้อนเฉพาะที่ 40 นอกจากนี้ เมื่อมีการใช้แรงเค้นกระแทก อัตราความเครียดพลาสติกสูงจะเกิดขึ้นในบริเวณสัมผัสอนุภาค/พื้นผิวในเวลาอันสั้นมาก 41,42
โดยทั่วไปแล้ว การเสียรูปพลาสติกถือเป็นกระบวนการกระจายพลังงาน หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ เป็นแหล่งความร้อนในบริเวณรอยต่อ อย่างไรก็ตาม การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิในบริเวณรอยต่อมักไม่เพียงพอที่จะทำให้เกิดการหลอมละลายที่รอยต่อ หรือกระตุ้นการแพร่กระจายของอะตอมอย่างมีนัยสำคัญ ผู้เขียนไม่พบงานวิจัยใดที่ศึกษาผลกระทบของคุณสมบัติของผงโลหะแก้วเหล่านี้ต่อการยึดเกาะและการตกตะกอนของผงที่เกิดขึ้นเมื่อใช้เทคนิคการพ่นเย็น
ภาพ BFI ของผงโลหะผสม MG Cu50Zr20Ni30 สามารถมองเห็นได้ในรูปที่ 12a ซึ่งถูกเคลือบลงบนพื้นผิว SUS 304 (รูปที่ 11, 12b) ดังที่เห็นได้จากรูป ผงที่เคลือบแล้วยังคงรักษาสภาพโครงสร้างอสัณฐานดั้งเดิมไว้ โดยมีโครงสร้างคล้ายเขาวงกตที่ละเอียดอ่อนโดยไม่มีลักษณะผลึกหรือข้อบกพร่องของแลตติส ในทางกลับกัน ภาพแสดงให้เห็นถึงการมีอยู่ของเฟสแปลกปลอม ดังที่เห็นได้จากอนุภาคนาโนที่รวมอยู่ในเมทริกซ์ผงเคลือบ MG (รูปที่ 12a) รูปที่ 12c แสดงรูปแบบการเลี้ยวเบนของลำแสงนาโน (NBDP) ที่เกี่ยวข้องกับบริเวณ I (รูปที่ 12a) ดังที่แสดงในรูปที่ 12c NBDP แสดงรูปแบบการแพร่กระจายแบบฮาโลที่อ่อนแอของโครงสร้างอสัณฐานและอยู่ร่วมกับจุดคมที่สอดคล้องกับเฟส Zr2Ni ลูกบาศก์ขนาดใหญ่ที่ไม่เสถียรบวกกับเฟส CuO แบบสี่เหลี่ยมจัตุรัส การเกิด CuO สามารถอธิบายได้จากการออกซิเดชันของผงเมื่อเคลื่อนที่จากหัวฉีดของปืนพ่นสีไปยัง SUS 304 ในอากาศเปิดภายใต้กระแสลมความเร็วเหนือเสียง ในทางกลับกัน การเปลี่ยนสภาพจากผงโลหะเป็นแก้วส่งผลให้เกิดเฟสลูกบาศก์ขนาดใหญ่หลังจากกระบวนการพ่นเย็นที่อุณหภูมิ 550°C เป็นเวลา 30 นาที
(a) ภาพ FE-HRTEM ของผง MG ที่ตกตะกอนบน (b) พื้นผิว SUS 304 (ภาพแทรก) ดัชนี NBDP ของสัญลักษณ์วงกลมที่แสดงใน (a) แสดงอยู่ใน (c)
เพื่อทดสอบกลไกที่เป็นไปได้สำหรับการก่อตัวของอนุภาคนาโน Zr2Ni ทรงลูกบาศก์ขนาดใหญ่ จึงได้ทำการทดลองอิสระขึ้น ในการทดลองนี้ ผงถูกพ่นจากเครื่องพ่นละอองที่อุณหภูมิ 550°C ไปในทิศทางของพื้นผิว SUS 304 อย่างไรก็ตาม เพื่อตรวจสอบผลของการอบร้อน ผงถูกนำออกจากแผ่น SUS304 อย่างรวดเร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ (ประมาณ 60 วินาที) นอกจากนี้ยังได้ทำการทดลองอีกชุดหนึ่ง โดยนำผงออกจากพื้นผิวประมาณ 180 วินาทีหลังจากพ่น
ภาพที่ 13a และ 13b แสดงภาพสนามมืด (DFI) จากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนส่งผ่าน (STEM) ของวัสดุสองชนิดที่เคลือบลงบนพื้นผิว SUS 304 เป็นเวลา 60 วินาที และ 180 วินาที ตามลำดับ ภาพผงที่เคลือบเป็นเวลา 60 วินาที ขาดรายละเอียดทางสัณฐานวิทยา แสดงให้เห็นถึงความไม่มีลักษณะเฉพาะ (ภาพที่ 13a) ซึ่งได้รับการยืนยันโดย XRD เช่นกัน โดยแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างโดยรวมของผงเหล่านี้เป็นอสัณฐาน ดังที่แสดงโดยยอดการเลี้ยวเบนหลักและรองที่กว้างในภาพที่ 14a สิ่งนี้บ่งชี้ว่าไม่มีตะกอนเมโซเฟส/เมโซเฟสที่ไม่เสถียร ซึ่งผงยังคงรักษาสภาพโครงสร้างอสัณฐานดั้งเดิมไว้ ในทางตรงกันข้าม ผงที่เคลือบที่อุณหภูมิเดียวกัน (550°C) แต่ทิ้งไว้บนพื้นผิวเป็นเวลา 180 วินาที แสดงให้เห็นการตกตะกอนของอนุภาคขนาดนาโน ดังแสดงโดยลูกศรในภาพที่ 13b