ขอบคุณที่เข้าชม Nature.com เบราว์เซอร์ที่คุณใช้อยู่มีการรองรับ CSS อย่างจำกัด เพื่อประสบการณ์การใช้งานที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้คุณใช้เบราว์เซอร์เวอร์ชันล่าสุด (หรือปิดโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) ในระหว่างนี้ เพื่อให้มั่นใจว่าเว็บไซต์จะยังคงได้รับการสนับสนุนต่อไป เราจะแสดงเว็บไซต์โดยไม่มีสไตล์และ JavaScript
ไบโอฟิล์มเป็นส่วนประกอบสำคัญในการพัฒนาการติดเชื้อเรื้อรัง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ทางการแพทย์ ปัญหานี้เป็นความท้าทายอย่างมากสำหรับวงการแพทย์ เนื่องจากยาปฏิชีวนะมาตรฐานสามารถกำจัดไบโอฟิล์มได้ในระดับจำกัดเท่านั้น การป้องกันการก่อตัวของไบโอฟิล์มนำไปสู่การพัฒนาวิธีการเคลือบและวัสดุใหม่ๆ ที่หลากหลาย วิธีการเหล่านี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อเคลือบพื้นผิวในลักษณะที่ยับยั้งการก่อตัวของไบโอฟิล์ม โลหะผสมแก้ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ประกอบด้วยโลหะทองแดงและไทเทเนียม ได้กลายเป็นสารเคลือบต้านจุลชีพที่เหมาะสม ในขณะเดียวกัน การใช้เทคโนโลยีการพ่นเย็นก็เพิ่มขึ้น เนื่องจากเป็นวิธีการที่เหมาะสมสำหรับการประมวลผลวัสดุที่ไวต่ออุณหภูมิ ส่วนหนึ่งของวัตถุประสงค์ของการศึกษาครั้งนี้คือการพัฒนาฟิล์มโลหะแก้วต้านแบคทีเรียชนิดใหม่ที่ประกอบด้วย Cu-Zr-Ni สามองค์ประกอบโดยใช้เทคนิคการผสมเชิงกล ผงทรงกลมที่ประกอบเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายถูกใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับการเคลือบแบบพ่นเย็นบนพื้นผิวสแตนเลสที่อุณหภูมิต่ำ พื้นผิวที่เคลือบด้วยโลหะแก้วสามารถลดการก่อตัวของไบโอฟิล์มได้อย่างมีนัยสำคัญอย่างน้อย 1 ล็อก เมื่อเทียบกับสแตนเลส
ตลอดประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติ สังคมใดๆ ก็สามารถออกแบบและส่งเสริมการนำวัสดุใหม่ๆ ที่ตรงตามความต้องการเฉพาะของตนมาใช้ ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพและอันดับในเศรษฐกิจโลกาภิวัตน์ดีขึ้น¹ ความสามารถของมนุษย์ในการพัฒนาวัสดุ อุปกรณ์การผลิต และการออกแบบสำหรับการผลิตและการวิเคราะห์คุณสมบัติของวัสดุ ส่งผลให้เกิดความก้าวหน้าในด้านสุขภาพ การศึกษา อุตสาหกรรม เศรษฐกิจ วัฒนธรรม และสาขาอื่นๆ จากประเทศหรือภูมิภาคหนึ่งไปยังอีกประเทศหนึ่ง ความก้าวหน้านี้วัดได้โดยไม่คำนึงถึงประเทศหรือภูมิภาค² เป็นเวลากว่า 60 ปีแล้วที่นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุได้ทุ่มเทเวลาส่วนใหญ่ไปกับการมุ่งเน้นประเด็นสำคัญประเด็นหนึ่ง นั่นคือ การแสวงหาวัสดุใหม่ๆ ที่ล้ำสมัย การวิจัยล่าสุดมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงคุณภาพและประสิทธิภาพของวัสดุที่มีอยู่ รวมถึงการสังเคราะห์และการประดิษฐ์วัสดุประเภทใหม่ๆ อย่างสิ้นเชิง
การเติมธาตุผสม การปรับเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคของวัสดุ และการประยุกต์ใช้เทคนิคการแปรรูปทางความร้อน ทางกล หรือทางความร้อนเชิงกล ส่งผลให้คุณสมบัติทางกล ทางเคมี และทางกายภาพของวัสดุต่างๆ ดีขึ้นอย่างมาก นอกจากนี้ ยังมีการสังเคราะห์สารประกอบที่ไม่เคยมีมาก่อนได้สำเร็จ ความพยายามอย่างต่อเนื่องเหล่านี้ได้ก่อให้เกิดวัสดุนวัตกรรมตระกูลใหม่ ซึ่งรวมเรียกว่า วัสดุขั้นสูง (Advanced Materials)² ผลึกนาโน อนุภาคนาโน ท่อนาโน จุดควอนตัม มิติศูนย์ โลหะแก้วอสัณฐาน และโลหะผสมเอนโทรปีสูง เป็นเพียงตัวอย่างบางส่วนของวัสดุขั้นสูงที่ถูกนำมาใช้ในโลกตั้งแต่กลางศตวรรษที่ผ่านมา เมื่อทำการผลิตและพัฒนาโลหะผสมใหม่ที่มีคุณสมบัติที่เหนือกว่า ไม่ว่าจะเป็นในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายหรือในขั้นตอนการผลิตขั้นกลาง ปัญหาเรื่องความไม่สมดุลมักจะเกิดขึ้น จากการนำเทคนิคการผลิตใหม่ๆ มาใช้เพื่อให้เบี่ยงเบนจากสมดุลอย่างมีนัยสำคัญ ทำให้มีการค้นพบโลหะผสมกึ่งเสถียรชนิดใหม่ทั้งหมด ซึ่งรู้จักกันในชื่อ โลหะแก้ว (metallic glasses)
งานของเขาที่ Caltech ในปี 1960 นำมาซึ่งการปฏิวัติในแนวคิดของโลหะผสม เมื่อเขาสังเคราะห์โลหะผสม Au-25 at.% Si ที่มีลักษณะคล้ายแก้วโดยการทำให้ของเหลวแข็งตัวอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิเกือบหนึ่งล้านองศาต่อวินาที 4 การค้นพบของศาสตราจารย์ Pol Duwez ไม่เพียงแต่เป็นจุดเริ่มต้นของประวัติศาสตร์ของโลหะแก้ว (MG) เท่านั้น แต่ยังนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงกระบวนทัศน์ในวิธีที่ผู้คนคิดเกี่ยวกับโลหะผสมอีกด้วย นับตั้งแต่การศึกษาบุกเบิกครั้งแรกในการสังเคราะห์โลหะผสม MG โลหะแก้วเกือบทั้งหมดถูกผลิตขึ้นโดยใช้วิธีใดวิธีหนึ่งต่อไปนี้ (i) การแข็งตัวอย่างรวดเร็วของสารหลอมเหลวหรือไอน้ำ (ii) การรบกวนอะตอมของโครงสร้างผลึก (iii) ปฏิกิริยาการเปลี่ยนสถานะเป็นอสัณฐานในสถานะของแข็งระหว่างธาตุโลหะบริสุทธิ์ และ (iv) การเปลี่ยนสถานะของแข็งของเฟสที่ไม่เสถียร
โลหะแก้ว (MGs) มีลักษณะเด่นคือขาดระเบียบอะตอมระยะยาวที่เกี่ยวข้องกับผลึก ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของผลึก ในปัจจุบัน มีความก้าวหน้าอย่างมากในด้านโลหะแก้ว โลหะแก้วเป็นวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติที่น่าสนใจ ซึ่งไม่เพียงแต่น่าสนใจในฟิสิกส์ของของแข็งเท่านั้น แต่ยังรวมถึงโลหะวิทยา เคมีพื้นผิว เทคโนโลยี ชีววิทยา และสาขาอื่นๆ อีกมากมาย วัสดุชนิดใหม่นี้แสดงคุณสมบัติที่แตกต่างจากโลหะแข็ง ทำให้เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับการประยุกต์ใช้ทางเทคโนโลยีในหลากหลายสาขา โลหะแก้วมีคุณสมบัติที่สำคัญบางประการ ได้แก่ (i) ความยืดหยุ่นเชิงกลและความแข็งแรงครากสูง (ii) การซึมผ่านของแม่เหล็กสูง (iii) แรงบีบอัดต่ำ (iv) ความต้านทานการกัดกร่อนที่ผิดปกติ (v) การนำไฟฟ้าที่ไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ 6,7
การผสมเชิงกล (MA)1,8 เป็นเทคนิคที่ค่อนข้างใหม่ ซึ่งเริ่มใช้ครั้งแรกในปี 19839 โดยศาสตราจารย์ CC Kock และเพื่อนร่วมงาน พวกเขาเตรียมผง Ni60Nb40 ที่ไม่มีโครงสร้างผลึกโดยการบดส่วนผสมของธาตุบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิแวดล้อมซึ่งใกล้เคียงกับอุณหภูมิห้อง โดยทั่วไป ปฏิกิริยา MA จะดำเนินการระหว่างการเชื่อมต่อแบบแพร่กระจายของผงวัสดุตั้งต้นในเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งมักทำจากสแตนเลสในเครื่องบดลูกบอล 10 (รูปที่ 1a, b) นับตั้งแต่นั้นมา เทคนิคปฏิกิริยาของแข็งที่เหนี่ยวนำด้วยกลไกนี้ได้ถูกนำมาใช้ในการเตรียมผงโลหะผสมแก้วอสัณฐาน/โลหะชนิดใหม่โดยใช้เครื่องบดลูกบอลพลังงานต่ำ (รูปที่ 1c) และพลังงานสูง รวมถึงเครื่องบดแท่ง11,12,13,14,15,16 โดยเฉพาะอย่างยิ่ง วิธีนี้ถูกนำมาใช้ในการเตรียมระบบที่ไม่เข้ากัน เช่น Cu-Ta17 รวมถึงโลหะผสมที่มีจุดหลอมเหลวสูง เช่น ระบบ Al-โลหะทรานซิชัน (TM; Zr, Hf, Nb และ Ta)18,19 และ Fe-W20 ซึ่งไม่สามารถหาได้จากวิธีการเตรียมแบบดั้งเดิม นอกจากนี้ MA ยังถือเป็นหนึ่งในเครื่องมือนาโนเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับการเตรียมอนุภาคผงนาโนคริสตัลไลน์และนาโนคอมโพสิตขนาดอุตสาหกรรมของโลหะออกไซด์ คาร์ไบด์ ไนไตรด์ ไฮไดรด์ และคาร์บอน ท่อนาโน เพชรนาโน ตลอดจนการรักษาเสถียรภาพในวงกว้างผ่านแนวทางจากบนลงล่าง 1 และสถานะกึ่งเสถียร
แผนภาพแสดงวิธีการผลิตที่ใช้ในการเตรียมสารเคลือบโลหะผสมแก้ว Cu50(Zr50−xNix) (MG) บนเหล็กกล้าไร้สนิม SUS 304 ในการศึกษานี้ (a) การเตรียมผงโลหะผสม MG ที่มีความเข้มข้นของ Ni ต่างกัน x (x; 10, 20, 30 และ 40 at.%) โดยใช้เทคนิคการบดด้วยลูกบอลพลังงานต่ำ (b) วัสดุเริ่มต้นถูกบรรจุลงในกระบอกเครื่องมือพร้อมกับลูกบอลเหล็กกล้า และ (c) ถูกปิดผนึกในกล่องปลอดอากาศที่บรรจุด้วยบรรยากาศฮีเลียม (d) แบบจำลองโปร่งใสของภาชนะบดแสดงการเคลื่อนที่ของลูกบอลระหว่างการบด ผลิตภัณฑ์สุดท้ายของผงที่ได้หลังจาก 50 ชั่วโมงถูกนำไปใช้เคลือบพื้นผิว SUS 304 โดยใช้วิธีการพ่นเย็น
เมื่อพูดถึงพื้นผิวของวัสดุขนาดใหญ่ (ซับสเตรต) วิศวกรรมพื้นผิวเกี่ยวข้องกับการออกแบบและการปรับเปลี่ยนพื้นผิว (ซับสเตรต) เพื่อให้ได้คุณสมบัติทางกายภาพ เคมี และทางเทคนิคบางอย่างที่ไม่มีอยู่ในวัสดุขนาดใหญ่ดั้งเดิม คุณสมบัติบางอย่างที่สามารถปรับปรุงได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยการบำบัดพื้นผิว ได้แก่ ความต้านทานการขัดถู ความต้านทานการออกซิเดชันและการกัดกร่อน ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน ความเฉื่อยทางชีวภาพ คุณสมบัติทางไฟฟ้า และฉนวนกันความร้อน เป็นต้น คุณภาพของพื้นผิวสามารถปรับปรุงได้โดยใช้เทคนิคทางโลหะวิทยา กลศาสตร์ หรือเคมี ในฐานะที่เป็นกระบวนการที่รู้จักกันดี การเคลือบผิวหมายถึงการเคลือบวัสดุชั้นเดียวหรือหลายชั้นลงบนพื้นผิวของวัตถุขนาดใหญ่ (ซับสเตรต) ที่ทำจากวัสดุอื่น ดังนั้น การเคลือบผิวจึงถูกนำมาใช้บางส่วนเพื่อให้ได้คุณสมบัติทางเทคนิคหรือการตกแต่งที่ต้องการ รวมถึงเพื่อปกป้องวัสดุจากปฏิกิริยาทางเคมีและทางกายภาพที่คาดว่าจะเกิดขึ้นกับสิ่งแวดล้อมโดยรอบ23
เพื่อให้ได้ชั้นป้องกันพื้นผิวที่เหมาะสมซึ่งมีความหนาตั้งแต่ไม่กี่ไมโครเมตร (ต่ำกว่า 10-20 ไมโครเมตร) ไปจนถึงมากกว่า 30 ไมโครเมตร หรือแม้แต่ไม่กี่มิลลิเมตร สามารถนำวิธีการและเทคนิคต่างๆ มาใช้ได้หลายวิธี โดยทั่วไป กระบวนการเคลือบสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: (i) วิธีการเคลือบแบบเปียก ซึ่งรวมถึงการชุบด้วยไฟฟ้า การชุบแบบไม่ใช้ไฟฟ้า และวิธีการชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อน และ (ii) วิธีการเคลือบแบบแห้ง ซึ่งรวมถึงการบัดกรี การเคลือบผิว การตกตะกอนไอระเหยทางกายภาพ (PVD) การตกตะกอนไอระเหยทางเคมี (CVD) เทคนิคการพ่นด้วยความร้อน และล่าสุดคือเทคนิคการพ่นเย็น 24 (รูปที่ 1d)
ไบโอฟิล์มถูกนิยามว่าเป็นชุมชนจุลินทรีย์ที่ยึดติดกับพื้นผิวอย่างถาวรและถูกล้อมรอบด้วยพอลิเมอร์นอกเซลล์ (EPS) ที่ผลิตขึ้นเอง การก่อตัวของไบโอฟิล์มที่เจริญเต็มที่แล้วอาจนำไปสู่ความสูญเสียอย่างมากในหลายภาคอุตสาหกรรม รวมถึงอุตสาหกรรมอาหาร ระบบน้ำ และสภาพแวดล้อมด้านการดูแลสุขภาพ ในมนุษย์ เมื่อไบโอฟิล์มก่อตัวขึ้น มากกว่า 80% ของกรณีการติดเชื้อจุลินทรีย์ (รวมถึง Enterobacteriaceae และ Staphylococci) จะรักษาได้ยาก ยิ่งไปกว่านั้น มีรายงานว่าไบโอฟิล์มที่เจริญเต็มที่แล้วมีความต้านทานต่อยาปฏิชีวนะมากกว่าเซลล์แบคทีเรียแบบแพลงก์ตอนถึง 1000 เท่า ซึ่งถือเป็นความท้าทายในการรักษาที่สำคัญ วัสดุเคลือบผิวต้านจุลินทรีย์ที่ได้จากสารประกอบอินทรีย์ทั่วไปถูกนำมาใช้ในอดีต แม้ว่าวัสดุดังกล่าวจะมีส่วนประกอบที่เป็นพิษซึ่งอาจเป็นอันตรายต่อมนุษย์ได้^25,26 แต่ก็อาจช่วยหลีกเลี่ยงการแพร่กระจายของแบคทีเรียและการทำลายวัสดุได้
การดื้อยาปฏิชีวนะของแบคทีเรียอย่างแพร่หลายเนื่องจากการก่อตัวของไบโอฟิล์ม ทำให้เกิดความจำเป็นในการพัฒนาพื้นผิวเคลือบเมมเบรนต้านจุลชีพที่มีประสิทธิภาพและสามารถใช้งานได้อย่างปลอดภัย27 การพัฒนาพื้นผิวต้านการยึดเกาะทางกายภาพหรือทางเคมีซึ่งยับยั้งไม่ให้เซลล์แบคทีเรียเกาะติดและสร้างไบโอฟิล์มเนื่องจากการยึดเกาะนั้นเป็นแนวทางแรกในกระบวนการนี้27 เทคโนโลยีที่สองคือการพัฒนาสารเคลือบที่ช่วยให้สามารถส่งสารเคมีต้านจุลชีพไปยังตำแหน่งที่ต้องการได้อย่างแม่นยำ ในปริมาณที่มีความเข้มข้นสูงและปรับแต่งได้ ซึ่งทำได้โดยการพัฒนาวัสดุเคลือบที่เป็นเอกลักษณ์ เช่น กราฟีน/เจอร์มาเนียม28 เพชรสีดำ29 และสารเคลือบคาร์บอนคล้ายเพชรที่เจือด้วย ZnO30 ซึ่งทนต่อแบคทีเรีย เทคโนโลยีนี้ช่วยลดความเป็นพิษและการพัฒนาการดื้อยาเนื่องจากการก่อตัวของไบโอฟิล์มได้อย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ สารเคลือบที่รวมสารเคมีฆ่าเชื้อโรคเข้ากับพื้นผิวเพื่อให้การป้องกันการปนเปื้อนของแบคทีเรียในระยะยาวกำลังได้รับความนิยมมากขึ้น แม้ว่าทั้งสามกระบวนการจะสามารถสร้างผลต้านจุลชีพบนพื้นผิวที่เคลือบได้ แต่แต่ละกระบวนการก็มีข้อจำกัดของตนเองที่ควรพิจารณา เมื่อพัฒนาแผนกลยุทธ์การใช้งานแอปพลิเคชัน
ผลิตภัณฑ์ที่วางจำหน่ายอยู่ในปัจจุบันประสบปัญหาเนื่องจากมีเวลาไม่เพียงพอในการวิเคราะห์และทดสอบสารเคลือบป้องกันเพื่อหาส่วนประกอบที่มีฤทธิ์ทางชีวภาพ บริษัทต่างๆ อ้างว่าผลิตภัณฑ์ของตนจะมอบคุณสมบัติการใช้งานที่พึงประสงค์แก่ผู้ใช้ อย่างไรก็ตาม นี่เป็นอุปสรรคต่อความสำเร็จของผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่ในตลาดปัจจุบัน สารประกอบที่ได้จากเงินถูกนำมาใช้ในการบำบัดต้านจุลชีพส่วนใหญ่ที่มีให้ผู้บริโภคในปัจจุบัน ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อปกป้องผู้ใช้จากผลกระทบที่อาจเป็นอันตรายของจุลินทรีย์ ผลการต้านจุลชีพที่ล่าช้าและความเป็นพิษที่เกี่ยวข้องของสารประกอบเงินเพิ่มแรงกดดันต่อนักวิจัยในการพัฒนาทางเลือกที่อันตรายน้อยกว่า36,37 การสร้างสารเคลือบต้านจุลชีพทั่วโลกที่ใช้งานได้ทั้งในร่มและกลางแจ้งยังคงเป็นงานที่ท้าทาย เนื่องจากความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องต่อทั้งสุขภาพและความปลอดภัย การค้นพบสารต้านจุลชีพที่เป็นอันตรายต่อมนุษย์น้อยลงและการคิดหาวิธีที่จะรวมมันเข้ากับพื้นผิวการเคลือบที่มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นเป็นเป้าหมายที่เป็นที่ต้องการอย่างมาก38 วัสดุต้านจุลชีพและต้านไบโอฟิล์มรุ่นล่าสุดได้รับการออกแบบมาเพื่อฆ่าแบคทีเรียในระยะใกล้ ไม่ว่าจะโดยการสัมผัสโดยตรงหรือหลังจากที่สารออกฤทธิ์ถูกปล่อยออกมา พวกมันสามารถทำได้โดยการยับยั้งการยึดเกาะของแบคทีเรียในขั้นต้น (รวมถึงการต่อต้านการก่อตัวของชั้นโปรตีนบนพื้นผิว) หรือโดย ฆ่าเชื้อแบคทีเรียโดยการรบกวนผนังเซลล์
โดยพื้นฐานแล้ว การเคลือบผิวคือกระบวนการวางชั้นอีกชั้นหนึ่งบนพื้นผิวของชิ้นส่วนเพื่อเพิ่มคุณสมบัติที่เกี่ยวข้องกับพื้นผิว เป้าหมายของการเคลือบผิวคือการปรับแต่งโครงสร้างจุลภาคและ/หรือองค์ประกอบของบริเวณใกล้พื้นผิวของชิ้นส่วน39 เทคนิคการเคลือบผิวสามารถแบ่งออกเป็นวิธีการต่างๆ ซึ่งสรุปไว้ในรูปที่ 2a การเคลือบผิวสามารถแบ่งย่อยออกเป็นประเภทความร้อน เคมี ทางกายภาพ และทางไฟฟ้าเคมี ขึ้นอยู่กับวิธีการที่ใช้ในการสร้างการเคลือบผิว
(ก) ภาพแทรกแสดงเทคนิคการผลิตหลักที่ใช้สำหรับพื้นผิว และ (ข) ข้อดีและข้อเสียที่เลือกไว้ของเทคนิคการพ่นเย็น
เทคโนโลยีการพ่นเย็นมีลักษณะคล้ายคลึงกับวิธีการพ่นด้วยความร้อนแบบดั้งเดิมหลายประการ อย่างไรก็ตาม ยังมีคุณสมบัติพื้นฐานที่สำคัญบางประการที่ทำให้กระบวนการพ่นเย็นและวัสดุที่ได้จากการพ่นเย็นมีความเป็นเอกลักษณ์เฉพาะตัว เทคโนโลยีการพ่นเย็นยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่มีอนาคตที่สดใส ในบางการใช้งาน คุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของการพ่นเย็นให้ประโยชน์อย่างมาก โดยเอาชนะข้อจำกัดโดยธรรมชาติของวิธีการพ่นด้วยความร้อนแบบทั่วไป มันเป็นวิธีที่จะเอาชนะข้อจำกัดที่สำคัญของเทคโนโลยีการพ่นด้วยความร้อนแบบดั้งเดิม ซึ่งผงจะต้องถูกหลอมละลายเพื่อที่จะตกตะกอนลงบนพื้นผิว เห็นได้ชัดว่ากระบวนการเคลือบแบบดั้งเดิมนี้ไม่เหมาะสำหรับวัสดุที่ไวต่ออุณหภูมิสูง เช่น นาโนคริสตัล นาโนอนุภาค อมอร์ฟัส และแก้วโลหะ40, 41, 42 นอกจากนี้ วัสดุเคลือบที่ได้จากการพ่นด้วยความร้อนมักมีรูพรุนและออกไซด์ในระดับสูง เทคโนโลยีการพ่นเย็นมีข้อดีที่สำคัญหลายประการเหนือกว่าเทคโนโลยีการพ่นด้วยความร้อน เช่น (i) การป้อนความร้อนน้อยที่สุดไปยังพื้นผิว (ii) ความยืดหยุ่นในการเลือกการเคลือบพื้นผิว (iii) การไม่มีการเปลี่ยนแปลงเฟสและการเติบโตของเกรน (iv) ความแข็งแรงในการยึดเกาะสูง1,39 (รูปที่ 2b) นอกจากนี้ วัสดุเคลือบแบบพ่นเย็นยังมีคุณสมบัติทนต่อการกัดกร่อนสูง มีความแข็งแรงและความแข็งสูง มีการนำไฟฟ้าสูง และมีความหนาแน่นสูง41 อย่างไรก็ตาม แม้ว่ากระบวนการพ่นเย็นจะมีข้อดีหลายประการ แต่ก็ยังมีข้อเสียอยู่บ้าง ดังแสดงในรูปที่ 2b เมื่อเคลือบผงเซรามิกบริสุทธิ์ เช่น Al2O3, TiO2, ZrO2, WC เป็นต้น ไม่สามารถใช้วิธีการพ่นเย็นได้ ในทางกลับกัน ผงคอมโพสิตเซรามิก/โลหะสามารถใช้เป็นวัตถุดิบในการเคลือบได้ เช่นเดียวกับวิธีการพ่นความร้อนอื่นๆ พื้นผิวที่ซับซ้อนและพื้นผิวภายในท่อยังคงพ่นได้ยาก
เนื่องจากงานวิจัยปัจจุบันมีเป้าหมายที่จะใช้ผงโลหะแก้วเป็นวัตถุดิบในการเคลือบผิว จึงเห็นได้ชัดว่าการพ่นเคลือบด้วยความร้อนแบบดั้งเดิมไม่สามารถนำมาใช้เพื่อวัตถุประสงค์นี้ได้ เนื่องจากผงโลหะแก้วจะตกผลึกที่อุณหภูมิสูง¹
เครื่องมือส่วนใหญ่ที่ใช้ในอุตสาหกรรมการแพทย์และอาหารทำจากโลหะผสมสแตนเลสออสเทนิติก (SUS316 และ SUS304) ที่มีปริมาณโครเมียมระหว่าง 12 ถึง 20% โดยน้ำหนักสำหรับการผลิตเครื่องมือผ่าตัด โดยทั่วไปเป็นที่ยอมรับกันว่าการใช้โลหะโครเมียมเป็นธาตุผสมในโลหะผสมเหล็กสามารถปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อนของโลหะผสมเหล็กมาตรฐานได้อย่างมาก โลหะผสมสแตนเลสแม้จะมีความต้านทานการกัดกร่อนสูง แต่ก็ไม่มีคุณสมบัติต้านจุลชีพที่สำคัญ38,39 ซึ่งขัดแย้งกับความต้านทานการกัดกร่อนสูง หลังจากนั้นจึงสามารถคาดการณ์การพัฒนาของการติดเชื้อและการอักเสบได้ ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากการยึดเกาะและการตั้งรกรากของแบคทีเรียบนพื้นผิวของวัสดุชีวภาพสแตนเลส ปัญหาสำคัญอาจเกิดขึ้นเนื่องจากปัญหาสำคัญที่เกี่ยวข้องกับการยึดเกาะของแบคทีเรียและเส้นทางการก่อตัวของไบโอฟิล์ม ซึ่งอาจนำไปสู่การเสื่อมโทรมของสุขภาพ ซึ่งอาจมีผลกระทบหลายประการที่อาจส่งผลต่อสุขภาพของมนุษย์โดยตรงหรือโดยอ้อม
การศึกษาครั้งนี้เป็นระยะแรกของโครงการที่ได้รับทุนสนับสนุนจากมูลนิธิส่งเสริมวิทยาศาสตร์แห่งคูเวต (KFAS) สัญญาเลขที่ 2010-550401 เพื่อตรวจสอบความเป็นไปได้ในการผลิตผงโลหะผสม Cu-Zr-Ni แบบแก้วโดยใช้เทคโนโลยี MA (ตารางที่ 1) สำหรับการผลิตฟิล์มต้านเชื้อแบคทีเรีย/สารเคลือบป้องกันพื้นผิว SUS304 ระยะที่สองของโครงการซึ่งจะเริ่มในเดือนมกราคม 2023 จะตรวจสอบลักษณะการกัดกร่อนทางไฟฟ้าเคมีและคุณสมบัติทางกลของระบบอย่างละเอียด และจะมีการทดสอบทางจุลชีววิทยาอย่างละเอียดสำหรับแบคทีเรียสายพันธุ์ต่างๆ
ในบทความนี้ จะกล่าวถึงผลของปริมาณธาตุผสม Zr ต่อความสามารถในการขึ้นรูปแก้ว (GFA) โดยพิจารณาจากลักษณะทางสัณฐานวิทยาและโครงสร้าง นอกจากนี้ยังได้กล่าวถึงคุณสมบัติในการต้านเชื้อแบคทีเรียของวัสดุคอมโพสิตเคลือบผงแก้วโลหะ/SUS304 ด้วย ยิ่งไปกว่านั้น งานวิจัยนี้ยังได้ดำเนินการเพื่อตรวจสอบความเป็นไปได้ของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของผงแก้วโลหะที่เกิดขึ้นระหว่างการพ่นเย็นภายในบริเวณของเหลวที่เย็นตัวลงของระบบแก้วโลหะที่ผลิตขึ้น โดยใช้โลหะผสมแก้วโลหะ Cu50Zr30Ni20 และ Cu50Zr20Ni30 เป็นตัวอย่างในการศึกษาครั้งนี้
ในส่วนนี้ จะนำเสนอการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาของผงธาตุ Cu, Zr และ Ni ในกระบวนการบดด้วยลูกบอลพลังงานต่ำ โดยจะใช้ระบบที่แตกต่างกันสองระบบ ได้แก่ Cu50Zr20Ni30 และ Cu50Zr40Ni10 เป็นตัวอย่างประกอบ กระบวนการบดด้วยลูกบอลสามารถแบ่งออกเป็นสามขั้นตอนที่แตกต่างกัน ดังแสดงโดยลักษณะทางโลหะวิทยาของผงที่ผลิตได้ในระหว่างขั้นตอนการบด (รูปที่ 3)
ลักษณะทางโลหะวิทยาของผงโลหะผสมเชิงกล (MA) ที่ได้หลังจากช่วงเวลาการบดด้วยลูกบอลที่แตกต่างกัน ภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนด้วยการปล่อยสนาม (FE-SEM) ของผง MA และ Cu50Zr40Ni10 ที่ได้หลังจากช่วงเวลาการบดด้วยลูกบอลพลังงานต่ำ 3, 12 และ 50 ชั่วโมง แสดงใน (a), (c) และ (e) สำหรับระบบ Cu50Zr20Ni30 ในขณะที่ภาพที่สอดคล้องกันของระบบ Cu50Zr40Ni10 ในระบบ MA เดียวกันที่ถ่ายหลังจากเวลาต่างๆ แสดงใน (b), (d) และ (f)
ในระหว่างการบดด้วยลูกบอล พลังงานจลน์ที่มีประสิทธิภาพที่สามารถถ่ายโอนไปยังผงโลหะได้นั้นได้รับผลกระทบจากการรวมกันของพารามิเตอร์ต่างๆ ดังแสดงในรูปที่ 1a ซึ่งรวมถึงการชนกันระหว่างลูกบอลและผง การเฉือนอัดของผงที่ติดอยู่ระหว่างหรือระหว่างตัวกลางการบด การกระแทกของลูกบอลที่ตกลงมา การเฉือนและการสึกหรอเนื่องจากการลากของผงระหว่างตัวกลางการบดลูกบอลที่เคลื่อนที่ และคลื่นกระแทกที่ผ่านลูกบอลที่ตกลงมาซึ่งกระจายไปทั่วกองวัสดุ (รูปที่ 1a) ผง Cu, Zr และ Ni บริสุทธิ์ถูกทำให้เสียรูปอย่างรุนแรงเนื่องจากการเชื่อมเย็นในระยะเริ่มต้นของการบดด้วยลูกบอล (3 ชั่วโมง) ส่งผลให้เกิดอนุภาคผงขนาดใหญ่ (>1 มม. ในเส้นผ่านศูนย์กลาง) อนุภาคคอมโพสิตขนาดใหญ่เหล่านี้มีลักษณะเฉพาะคือการก่อตัวของชั้นหนาของธาตุโลหะผสม (Cu, Zr, Ni) ดังแสดงในรูปที่ 3a,b การเพิ่มเวลาการบดด้วยลูกบอลเป็น 12 ชั่วโมง (ระยะกลาง) ส่งผลให้พลังงานจลน์ของเครื่องบดลูกบอลเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ผงคอมโพสิตแตกตัวเป็นผงละเอียดขึ้น (น้อยกว่า 200 µm) ดังแสดงในรูปที่ 3a,b รูปที่ 3c,d แสดงให้เห็นว่า ในขั้นตอนนี้ แรงเฉือนที่ใช้จะนำไปสู่การก่อตัวของพื้นผิวโลหะใหม่ที่มีชั้นบางๆ ของ Cu, Zr และ Ni ดังแสดงในรูปที่ 3c,d ผลจากการปรับปรุงชั้นให้ละเอียดขึ้น ปฏิกิริยาของเฟสของแข็งจะเกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานของเกล็ดเพื่อสร้างเฟสใหม่
เมื่อถึงจุดสูงสุดในกระบวนการ MA (หลังจาก 50 ชั่วโมง) ลักษณะทางโลหะวิทยาแบบเป็นเกล็ดปรากฏให้เห็นเพียงเล็กน้อย (รูปที่ 3e,f) แต่พื้นผิวที่ขัดเงาของผงแสดงลักษณะทางโลหะวิทยาแบบกระจกเงา ซึ่งหมายความว่ากระบวนการ MA เสร็จสมบูรณ์แล้วและได้เกิดเฟสปฏิกิริยาเดียวขึ้น องค์ประกอบทางเคมีของบริเวณที่ระบุในรูปที่ 3e (I, II, III), f, v, vi) ถูกกำหนดโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนแบบปล่อยสนาม (FE-SEM) ร่วมกับสเปกโทรสโกปีรังสีเอกซ์แบบกระจายพลังงาน (EDS) (IV)
ในตารางที่ 2 แสดงความเข้มข้นของธาตุผสมในรูปเปอร์เซ็นต์ของน้ำหนักรวมของแต่ละบริเวณที่เลือกในรูปที่ 3e,f เมื่อเปรียบเทียบผลลัพธ์เหล่านี้กับองค์ประกอบเริ่มต้นของ Cu50Zr20Ni30 และ Cu50Zr40Ni10 ที่ระบุไว้ในตารางที่ 1 จะเห็นได้ว่าองค์ประกอบของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายทั้งสองมีค่าใกล้เคียงกับองค์ประกอบเริ่มต้นมาก นอกจากนี้ ค่าองค์ประกอบสัมพัทธ์สำหรับบริเวณต่างๆ ที่แสดงในรูปที่ 3e,f ไม่ได้บ่งชี้ถึงการเสื่อมสภาพหรือความผันผวนอย่างมีนัยสำคัญในองค์ประกอบของแต่ละตัวอย่างจากบริเวณหนึ่งไปยังอีกบริเวณหนึ่ง ซึ่งเห็นได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบจากบริเวณหนึ่งไปยังอีกบริเวณหนึ่ง สิ่งนี้ชี้ให้เห็นถึงการผลิตผงโลหะผสมที่เป็นเนื้อเดียวกัน ดังแสดงในตารางที่ 2
ภาพถ่าย FE-SEM ของผง Cu50(Zr50−xNix) ผลิตภัณฑ์สุดท้ายที่ได้หลังจากทำการบดด้วยเครื่องจักร 50 ครั้ง แสดงในรูปที่ 4a–d โดยที่ x คือ 10, 20, 30 และ 40 อะตอมเปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ หลังจากขั้นตอนการบดนี้ ผงจะรวมตัวกันเนื่องจากผลของแรงแวนเดอร์วาลส์ ส่งผลให้เกิดการรวมตัวเป็นกลุ่มขนาดใหญ่ที่ประกอบด้วยอนุภาคละเอียดมาก มีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 73 ถึง 126 นาโนเมตร ดังแสดงในรูปที่ 4
ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของผง Cu50(Zr50−xNix) ที่ได้หลังจากเวลา MA 50 ชั่วโมง สำหรับระบบ Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 และ Cu50Zr10Ni40 ภาพ FE-SEM ของผงที่ได้หลังจากเวลา MA 50 ชั่วโมง แสดงใน (a), (b), (c) และ (d) ตามลำดับ
ก่อนที่จะนำผงโลหะผสมไปใส่ในเครื่องป้อนแบบพ่นเย็น จะต้องนำผงโลหะผสมไปผ่านกระบวนการอัลตราโซนิกในเอทานอลเกรดวิเคราะห์เป็นเวลา 15 นาที แล้วจึงอบแห้งที่อุณหภูมิ 150°C เป็นเวลา 2 ชั่วโมง ขั้นตอนนี้จำเป็นต้องทำเพื่อป้องกันการจับตัวเป็นก้อน ซึ่งมักก่อให้เกิดปัญหาสำคัญหลายประการในกระบวนการเคลือบ หลังจากกระบวนการ MA เสร็จสิ้นแล้ว จะทำการตรวจสอบคุณสมบัติเพิ่มเติมเพื่อศึกษาความสม่ำเสมอของผงโลหะผสม รูปที่ 5a–d แสดงภาพจุลภาค FE-SEM และภาพ EDS ที่สอดคล้องกันของธาตุโลหะผสม Cu, Zr และ Ni ของโลหะผสม Cu50Zr30Ni20 ที่ได้หลังจากเวลา M 50 ชั่วโมง ตามลำดับ ควรสังเกตว่าผงโลหะผสมที่ผลิตหลังจากขั้นตอนนี้มีความสม่ำเสมอ เนื่องจากไม่แสดงความผันผวนขององค์ประกอบเกินระดับย่อยนาโนเมตร ดังแสดงในรูปที่ 5
ลักษณะทางสัณฐานวิทยาและการกระจายตัวของธาตุในระดับท้องถิ่นของผง MG Cu50Zr30Ni20 ที่ได้หลังจากผ่านกระบวนการ MA 50 ครั้ง โดยใช้ FE-SEM/การวิเคราะห์สเปกตรัมรังสีเอกซ์แบบกระจายพลังงาน (EDS) (a) ภาพ SEM และแผนที่ EDS ของรังสีเอกซ์ของ (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα และ (d) Ni-Kα
รูปแบบ XRD ของผงโลหะผสมเชิงกล Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 และ Cu50Zr20Ni30 ที่ได้หลังจากเวลาบด 50 ชั่วโมง แสดงในรูปที่ 6a–d ตามลำดับ หลังจากขั้นตอนการบดนี้ ตัวอย่างทั้งหมดที่มีความเข้มข้นของ Zr ต่างกันแสดงโครงสร้างอสัณฐานที่มีรูปแบบการแพร่กระจายแบบฮาโลที่เป็นลักษณะเฉพาะดังแสดงในรูปที่ 6
รูปแบบ XRD ของผง (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 และ (d) Cu50Zr20Ni30 หลังจากเวลา MA 50 ชั่วโมง ตัวอย่างทั้งหมดแสดงรูปแบบการแพร่แบบฮาโลโดยไม่มีข้อยกเว้น ซึ่งบ่งชี้ถึงการก่อตัวของเฟสอสัณฐาน
กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านความละเอียดสูงแบบปล่อยสนาม (FE-HRTEM) ถูกนำมาใช้เพื่อสังเกตการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและทำความเข้าใจโครงสร้างเฉพาะที่ของผงที่ได้จากการบดด้วยลูกบอลที่เวลา MA ต่างกัน ภาพ FE-HRTEM ของผงที่ได้หลังจากช่วงเริ่มต้น (6 ชั่วโมง) และช่วงกลาง (18 ชั่วโมง) ของการบดสำหรับผง Cu50Zr30Ni20 และ Cu50Zr40Ni10 แสดงในรูปที่ 7a และ 7c ตามลำดับ จากภาพสนามสว่าง (BFI) ของผงที่ผลิตหลังจาก MA 6 ชั่วโมง ผงประกอบด้วยเม็ดขนาดใหญ่ที่มีขอบเขตที่ชัดเจนของธาตุ fcc-Cu, hcp-Zr และ fcc-Ni และไม่มีสัญญาณของการเกิดเฟสปฏิกิริยา ดังแสดงในรูปที่ 7a นอกจากนี้ รูปแบบการเลี้ยวเบนของพื้นที่ที่เลือกที่สัมพันธ์กัน (SADP) ที่ได้จากบริเวณตรงกลางของ (a) เผยให้เห็นรูปแบบการเลี้ยวเบนแบบแหลม (รูปที่ 7b) ซึ่งบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของผลึกขนาดใหญ่และ การไม่มีเฟสปฏิกิริยา
การวิเคราะห์โครงสร้างเฉพาะที่ของผง MA ที่ได้หลังจากขั้นตอนเริ่มต้น (6 ชั่วโมง) และขั้นตอนกลาง (18 ชั่วโมง) (a) กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านความละเอียดสูงแบบปล่อยสนาม (FE-HRTEM) และ (b) รูปแบบการเลี้ยวเบนของพื้นที่ที่เลือก (SADP) ที่สอดคล้องกันของผง Cu50Zr30Ni20 หลังจากได้รับการบำบัดด้วย MA เป็นเวลา 6 ชั่วโมง ภาพ FE-HRTEM ของ Cu50Zr40Ni10 ที่ได้หลังจากเวลา MA 18 ชั่วโมงแสดงใน (c)
ดังแสดงในรูปที่ 7c การยืดระยะเวลาการทำ MA เป็น 18 ชั่วโมง ส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องของโครงสร้างผลึกอย่างรุนแรงควบคู่กับการเสียรูปพลาสติก ในช่วงระยะกลางของกระบวนการ MA นี้ ผงจะแสดงข้อบกพร่องต่างๆ รวมถึงข้อบกพร่องในการเรียงซ้อน ข้อบกพร่องของโครงสร้างผลึก และข้อบกพร่องแบบจุด (รูปที่ 7) ข้อบกพร่องเหล่านี้ทำให้เกรนขนาดใหญ่แตกออกตามขอบเกรนกลายเป็นเกรนย่อยที่มีขนาดเล็กกว่า 20 นาโนเมตร (รูปที่ 7c)
โครงสร้างเฉพาะที่ของผง Cu50Z30Ni20 ที่ผ่านการบดด้วยเครื่อง MA เป็นเวลา 36 ชั่วโมง แสดงให้เห็นการก่อตัวของอนุภาคนาโนขนาดเล็กมากที่ฝังอยู่ในเมทริกซ์ละเอียดแบบอสัณฐาน ดังแสดงในรูปที่ 8a การวิเคราะห์ EDS เฉพาะที่บ่งชี้ว่ากลุ่มนาโนที่แสดงในรูปที่ 8a นั้นเกี่ยวข้องกับธาตุโลหะผสมผง Cu, Zr และ Ni ที่ยังไม่ผ่านกระบวนการ ในขณะเดียวกัน ปริมาณ Cu ในเมทริกซ์ผันผวนจากประมาณ 32 at.% (บริเวณที่มี Cu น้อย) ถึงประมาณ 74 at.% (บริเวณที่มี Cu มาก) ซึ่งบ่งชี้ถึงการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน นอกจากนี้ SADP ที่สอดคล้องกันของผงที่ได้หลังจากการบดในขั้นตอนนี้แสดงให้เห็นวงแหวนหลักและรองแบบกระจายรัศมีของเฟสอสัณฐาน ซึ่งทับซ้อนกับจุดแหลมที่เกี่ยวข้องกับธาตุโลหะผสมดิบเหล่านั้น ดังแสดงในรูปที่ 8b
ลักษณะโครงสร้างเฉพาะที่ระดับนาโนของผง Cu50Zr30Ni20 ที่ผ่านการบดด้วยเครื่องจักรเป็นเวลา 36 ชั่วโมง (a) ภาพสนามสว่าง (BFI) และ (b) การเลี้ยวเบนอิเล็กตรอนแบบเลือกพื้นที่ (SADP) ที่สอดคล้องกันของผง Cu50Zr30Ni20 ที่ได้หลังจากการบดด้วยเครื่องจักรเป็นเวลา 36 ชั่วโมง
เมื่อใกล้สิ้นสุดกระบวนการ MA (50 ชั่วโมง) ผง Cu50(Zr50−xNix), X; 10, 20, 30 และ 40 at.% จะมีลักษณะโครงสร้างเฟสอสัณฐานแบบเขาวงกตดังแสดงในรูปที่ 9a–d ใน SADP ที่สอดคล้องกันของแต่ละองค์ประกอบ ไม่พบการเลี้ยวเบนแบบจุดหรือรูปแบบวงแหวนที่คมชัด ซึ่งบ่งชี้ว่าไม่มีโลหะผลึกที่ยังไม่ผ่านกระบวนการอยู่ แต่เป็นการก่อตัวของผงโลหะผสมอสัณฐาน SADP ที่สัมพันธ์กันเหล่านี้ซึ่งแสดงรูปแบบการแพร่กระจายแบบฮาโลยังถูกใช้เป็นหลักฐานสำหรับการพัฒนาเฟสอสัณฐานในวัสดุผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายด้วย
โครงสร้างเฉพาะที่ของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของระบบ MG Cu50 (Zr50−xNix) ภาพ FE-HRTEM และรูปแบบการเลี้ยวเบนของลำแสงนาโนที่สัมพันธ์กัน (NBDP) ของ (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 และ (d) Cu50Zr10Ni40 ที่ได้หลังจาก 50 ชั่วโมงของ MA
ได้มีการศึกษาเสถียรภาพทางความร้อนของอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะของแก้ว (Tg) บริเวณของของเหลวที่เย็นตัวลง (ΔTx) และอุณหภูมิการตกผลึก (Tx) ซึ่งเป็นฟังก์ชันของปริมาณ Ni (x) ของระบบโลหะผสมอสัณฐาน Cu50(Zr50−xNix) โดยใช้เทคนิคการวิเคราะห์ความร้อนแบบดิฟเฟอเรนเชียลสแกนนิงแคลอริเมตรี (DSC) ภายใต้การไหลของก๊าซฮีเลียม กราฟ DSC ของผงโลหะผสมอสัณฐาน Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 และ Cu50Zr10Ni40 ที่ได้หลังจากเวลา MA 50 ชั่วโมง แสดงในรูปที่ 10a, b, e ตามลำดับ ในขณะที่เส้นโค้ง DSC ของโลหะผสมอสัณฐาน Cu50Zr20Ni30 แสดงแยกต่างหากในรูปที่ 10c ส่วนตัวอย่าง Cu50Zr30Ni20 ที่ถูกให้ความร้อนถึงประมาณ 700 °C ใน DSC แสดงในรูปที่ 10d
ความเสถียรทางความร้อนของผงโลหะผสม Cu50(Zr50−xNix) MG ที่ได้หลังจากเวลา MA 50 ชั่วโมง โดยพิจารณาจากอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะแก้ว (Tg) อุณหภูมิการตกผลึก (Tx) และบริเวณของเหลวที่เย็นตัวลง (ΔTx) แผนภูมิความร้อนจากเครื่องวิเคราะห์ความร้อนแบบดิฟเฟอเรนเชียลสแกนนิงแคลอริเมตรี (DSC) ของผงโลหะผสม (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 และ (e) Cu50Zr10Ni40 MG หลังจากเวลา MA 50 ชั่วโมง รูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) ของตัวอย่าง Cu50Zr30Ni20 ที่ให้ความร้อนถึงประมาณ 700 °C ใน DSC แสดงใน (d)
ดังแสดงในรูปที่ 10 เส้นโค้ง DSC ขององค์ประกอบทั้งหมดที่มีความเข้มข้นของ Ni ต่างกัน (x) แสดงให้เห็นสองกรณีที่แตกต่างกัน คือ กรณีดูดความร้อนและกรณีคายความร้อน เหตุการณ์ดูดความร้อนแรกสอดคล้องกับ Tg ในขณะที่เหตุการณ์ที่สองเกี่ยวข้องกับ Tx บริเวณช่วงแนวนอนที่อยู่ระหว่าง Tg และ Tx เรียกว่าบริเวณของเหลวที่เย็นตัวลง (ΔTx = Tx – Tg) ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่า Tg และ Tx ของตัวอย่าง Cu50Zr40Ni10 (รูปที่ 10a) ที่อุณหภูมิ 526°C และ 612°C จะทำให้ปริมาณ (x) เปลี่ยนไป 20 at.% ไปทางด้านอุณหภูมิต่ำที่ 482°C และ 563°C ตามลำดับ เมื่อปริมาณ Ni (x) เพิ่มขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 10b ดังนั้น ΔTx ของ Cu50Zr40Ni10 จึงลดลงจาก 86 °C (รูปที่ 10a) เหลือ 81 °C สำหรับ Cu50Zr30Ni20 (รูปที่ 10b) สำหรับโลหะผสม MG Cu50Zr40Ni10 พบว่าค่า Tg, Tx และ ΔTx ลดลงเหลือ 447°C, 526°C และ 79°C ตามลำดับ (รูปที่ 10b) ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มปริมาณ Ni ส่งผลให้ความเสถียรทางความร้อนของโลหะผสม MG ลดลง ในทางตรงกันข้าม ค่า Tg (507 °C) ของโลหะผสม MG Cu50Zr20Ni30 ต่ำกว่าโลหะผสม MG Cu50Zr40Ni10 แต่ค่า Tx กลับมีค่าใกล้เคียงกับโลหะผสม MG Cu50Zr20Ni10 (612 °C) ดังนั้น ΔTx จึงมีค่าสูงกว่า (87°C) ดังแสดงในรูปที่ 10c
ระบบ MG Cu50(Zr50−xNix) โดยใช้โลหะผสม MG Cu50Zr20Ni30 เป็นตัวอย่าง จะเกิดการตกผลึกผ่านจุดสูงสุดคายความร้อนอย่างรวดเร็ว ไปสู่เฟสผลึกของ fcc-ZrCu5, orthorhombic-Zr7Cu10 และ orthorhombic-ZrNi (รูปที่ 10c) การเปลี่ยนเฟสจากอสัณฐานเป็นผลึกนี้ได้รับการยืนยันโดย XRD ของตัวอย่าง MG (รูปที่ 10d) ซึ่งถูกให้ความร้อนถึง 700 °C ใน DSC
รูปที่ 11 แสดงภาพถ่ายที่ถ่ายระหว่างกระบวนการพ่นเย็นที่ดำเนินการในงานวิจัยนี้ ในการศึกษาครั้งนี้ อนุภาคผงโลหะคล้ายแก้วที่สังเคราะห์ขึ้นหลังจากเวลา MA 50 ชั่วโมง (โดยใช้ Cu50Zr20Ni30 เป็นตัวอย่าง) ถูกนำมาใช้เป็นวัตถุดิบต้านเชื้อแบคทีเรีย และแผ่นสแตนเลส (SUS304) ถูกเคลือบด้วยเทคโนโลยีการพ่นเย็น วิธีการพ่นเย็นถูกเลือกใช้สำหรับการเคลือบในชุดเทคโนโลยีการพ่นด้วยความร้อน เนื่องจากเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในชุดการพ่นด้วยความร้อน และสามารถใช้ได้กับวัสดุโลหะที่ไวต่ออุณหภูมิแบบไม่เสถียร เช่น ผงอสัณฐานและนาโนคริสตัลไลน์ ซึ่งไม่เกิดการเปลี่ยนเฟส นี่คือปัจจัยหลักในการเลือกวิธีนี้ กระบวนการพ่นเย็นดำเนินการโดยใช้อนุภาคความเร็วสูงที่แปลงพลังงานจลน์ของอนุภาคเป็นการเสียรูปพลาสติก ความเครียด และความร้อนเมื่อกระทบกับพื้นผิวหรืออนุภาคที่วางไว้ก่อนหน้านี้
ภาพถ่ายภาคสนามแสดงขั้นตอนการพ่นเย็นที่ใช้ในการเตรียมการเคลือบ MG/SUS 304 จำนวน 5 ครั้งติดต่อกันที่อุณหภูมิ 550 °C
พลังงานจลน์ของอนุภาค และด้วยเหตุนี้ โมเมนตัมของแต่ละอนุภาคในการก่อตัวของสารเคลือบ จะต้องถูกแปลงเป็นพลังงานรูปแบบอื่นผ่านกลไกต่างๆ เช่น การเสียรูปพลาสติก (ปฏิสัมพันธ์เริ่มต้นของอนุภาคและอนุภาคต่ออนุภาคในพื้นผิว และปฏิสัมพันธ์ของอนุภาค) การรวมตัวของช่องว่าง การหมุนของอนุภาค ความเครียด และในที่สุดก็คือความร้อน 39 ยิ่งไปกว่านั้น หากพลังงานจลน์ที่เข้ามาทั้งหมดไม่ถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อนและความเครียด ผลที่ได้คือการชนแบบยืดหยุ่น ซึ่งหมายความว่าอนุภาคจะกระเด้งกลับหลังจากเกิดการชน มีการชี้ให้เห็นว่า 90% ของพลังงานการชนที่ใช้กับวัสดุอนุภาค/พื้นผิวจะถูกแปลงเป็นความร้อนเฉพาะที่ 40 ยิ่งไปกว่านั้น เมื่อมีการใช้ความเค้นจากการชน อัตราความเครียดพลาสติกสูงจะเกิดขึ้นในบริเวณสัมผัสระหว่างอนุภาค/พื้นผิวในเวลาอันสั้นมาก 41,42
โดยทั่วไปแล้ว การเสียรูปพลาสติกถือเป็นกระบวนการกระจายพลังงาน หรือโดยเฉพาะอย่างยิ่ง แหล่งความร้อนในบริเวณรอยต่อ อย่างไรก็ตาม การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิในบริเวณรอยต่อมักไม่เพียงพอที่จะทำให้เกิดการหลอมละลายที่รอยต่อ หรือส่งเสริมการแพร่กระจายของอะตอมอย่างมีนัยสำคัญ ผู้เขียนไม่พบเอกสารตีพิมพ์ใดที่ศึกษาผลกระทบของคุณสมบัติของผงโลหะแก้วเหล่านี้ต่อการยึดเกาะและการตกตะกอนของผงที่เกิดขึ้นเมื่อใช้วิธีการพ่นเย็น
ภาพ BFI ของผงโลหะผสม MG Cu50Zr20Ni30 สามารถมองเห็นได้ในรูปที่ 12a ซึ่งเคลือบอยู่บนพื้นผิว SUS 304 (รูปที่ 11, 12b) ดังที่เห็นได้จากรูป ผงที่เคลือบแล้วยังคงรักษาสภาพโครงสร้างอสัณฐานดั้งเดิมไว้ โดยมีโครงสร้างคล้ายเขาวงกตที่ละเอียดอ่อนโดยไม่มีลักษณะผลึกหรือข้อบกพร่องของแลตติส ในทางกลับกัน ภาพแสดงให้เห็นถึงการมีอยู่ของเฟสแปลกปลอม ดังที่แนะนำโดยอนุภาคนาโนที่รวมอยู่ในเมทริกซ์ผงเคลือบ MG (รูปที่ 12a) รูปที่ 12c แสดงรูปแบบการเลี้ยวเบนของลำแสงนาโน (NBDP) ที่เกี่ยวข้องกับบริเวณ I (รูปที่ 12a) ดังที่แสดงในรูปที่ 12c NBDP แสดงรูปแบบการแพร่กระจายแบบฮาโลที่อ่อนของโครงสร้างอสัณฐานและอยู่ร่วมกับจุดที่คมชัดซึ่งสอดคล้องกับเฟสผลึกลูกบาศก์ขนาดใหญ่ Zr2Ni ที่ไม่เสถียรบวกกับเฟส CuO แบบสี่เหลี่ยมจัตุรัส การก่อตัวของ CuO อาจเกิดจากการออกซิเดชัน ของผงเมื่อเดินทางจากหัวฉีดของปืนพ่นไปยัง SUS 304 ในอากาศเปิดภายใต้การไหลแบบเหนือเสียง ในทางกลับกัน การเปลี่ยนสภาพของผงโลหะที่เป็นแก้วทำให้เกิดเฟสลูกบาศก์ขนาดใหญ่หลังจากการบำบัดด้วยการพ่นเย็นที่ 550 °C เป็นเวลา 30 นาที
(a) ภาพ FE-HRTEM ของผง MG ที่เคลือบอยู่บน (b) พื้นผิว SUS 304 (ภาพแทรกในรูป) ดัชนี NBDP ของสัญลักษณ์วงกลมที่แสดงใน (a) แสดงอยู่ใน (c)
เพื่อตรวจสอบกลไกที่เป็นไปได้สำหรับการก่อตัวของอนุภาคนาโน Zr2Ni ทรงลูกบาศก์ขนาดใหญ่ จึงได้ทำการทดลองอิสระขึ้น ในการทดลองนี้ ผงถูกพ่นจากปืนพ่นที่อุณหภูมิ 550 °C ไปในทิศทางของพื้นผิว SUS 304 อย่างไรก็ตาม เพื่อให้เห็นภาพผลของการอบชุบความร้อนของผง จึงได้นำผงออกจากแผ่น SUS304 อย่างรวดเร็วที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ (ประมาณ 60 วินาที) นอกจากนี้ยังได้ทำการทดลองอีกชุดหนึ่ง โดยนำผงออกจากพื้นผิวประมาณ 180 วินาทีหลังจากพ่นลงไป
ภาพที่ 13a และ 13b แสดงภาพสนามมืด (DFI) ที่ได้จากการสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (STEM) ของวัสดุสองชนิดที่พ่นลงบนพื้นผิว SUS 304 เป็นเวลา 60 วินาที และ 180 วินาที ตามลำดับ ภาพผงที่พ่นเป็นเวลา 60 วินาทีไม่มีรายละเอียดทางสัณฐานวิทยา แสดงให้เห็นถึงความไม่มีลักษณะเฉพาะ (ภาพที่ 13a) ซึ่งได้รับการยืนยันโดย XRD เช่นกัน โดยระบุว่าโครงสร้างทั่วไปของผงเหล่านี้เป็นอสัณฐาน ดังที่แสดงโดยค่าสูงสุดของการเลี้ยวเบนหลักและรองที่กว้างในภาพที่ 14a สิ่งเหล่านี้บ่งชี้ว่าไม่มีการตกตะกอนของเฟสที่ไม่เสถียร/เมโซเฟส ซึ่งผงยังคงรักษาสภาพโครงสร้างอสัณฐานดั้งเดิมไว้ ในทางตรงกันข้าม ผงที่พ่นที่อุณหภูมิเดียวกัน (550 °C) แต่ทิ้งไว้บนพื้นผิวเป็นเวลา 180 วินาที แสดงให้เห็นการตกตะกอนของอนุภาคขนาดนาโน ดังที่ระบุโดยลูกศรในภาพที่ 13b