Σας ευχαριστούμε που επισκεφθήκατε το Nature.com. Η έκδοση του προγράμματος περιήγησης που χρησιμοποιείτε έχει περιορισμένη υποστήριξη CSS. Για την καλύτερη δυνατή εμπειρία, σας συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε ένα ενημερωμένο πρόγραμμα περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη Λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer). Εν τω μεταξύ, για να διασφαλίσουμε τη συνεχή υποστήριξη, θα αποδώσουμε τον ιστότοπο χωρίς στυλ και JavaScript.
Τα βιοφίλμ αποτελούν σημαντικό συστατικό στην ανάπτυξη χρόνιων λοιμώξεων, ειδικά όταν πρόκειται για ιατρικές συσκευές. Αυτό το πρόβλημα αποτελεί τεράστια πρόκληση για την ιατρική κοινότητα, καθώς τα τυπικά αντιβιοτικά μπορούν να καταστρέψουν τα βιοφίλμ μόνο σε πολύ περιορισμένο βαθμό. Η πρόληψη του σχηματισμού βιοφίλμ έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη διαφόρων μεθόδων επικάλυψης και νέων υλικών. Αυτές οι τεχνικές στοχεύουν στην επικάλυψη επιφανειών με τρόπο που αποτρέπει τον σχηματισμό βιοφίλμ. Τα κράματα υαλώδους μετάλλου, ειδικά αυτά που περιέχουν μέταλλα χαλκού και τιτανίου, έχουν γίνει ιδανικές αντιμικροβιακές επικαλύψεις. Ταυτόχρονα, η χρήση της τεχνολογίας ψεκασμού εν ψυχρώ έχει αυξηθεί, καθώς αποτελεί κατάλληλη μέθοδο για την επεξεργασία υλικών ευαίσθητων στη θερμοκρασία. Μέρος του στόχου αυτής της έρευνας ήταν η ανάπτυξη ενός νέου μεταλλικού γυαλιού με αντιβακτηριακή μεμβράνη που αποτελείται από τριαδικό Cu-Zr-Ni χρησιμοποιώντας τεχνικές μηχανικής κράματος. Η σφαιρική σκόνη που αποτελεί το τελικό προϊόν χρησιμοποιείται ως πρώτη ύλη για ψεκασμό εν ψυχρώ επιφανειών από ανοξείδωτο χάλυβα σε χαμηλές θερμοκρασίες. Τα υποστρώματα με επικάλυψη μεταλλικού γυαλιού ήταν σε θέση να μειώσουν σημαντικά τον σχηματισμό βιοφίλμ κατά τουλάχιστον 1 log σε σύγκριση με τον ανοξείδωτο χάλυβα.
Σε όλη την ανθρώπινη ιστορία, κάθε κοινωνία μπόρεσε να αναπτύξει και να προωθήσει την εισαγωγή νέων υλικών για να καλύψει τις συγκεκριμένες απαιτήσεις της, με αποτέλεσμα την αυξημένη παραγωγικότητα και την κατάταξη σε μια παγκοσμιοποιημένη οικονομία1. Πάντα αποδιδόταν στην ανθρώπινη ικανότητα να σχεδιάζει υλικά και εξοπλισμό κατασκευής, καθώς και να σχεδιάζει για την κατασκευή και τον χαρακτηρισμό υλικών για την επίτευξη στόχων στην υγεία, την εκπαίδευση, τη βιομηχανία, την οικονομία, τον πολιτισμό και άλλους τομείς από τη μία χώρα ή περιοχή στην άλλη. Η πρόοδος μετριέται ανεξάρτητα από τη χώρα ή την περιοχή2. Για 60 χρόνια, οι επιστήμονες υλικών έχουν αφιερώσει πολύ χρόνο σε ένα κύριο έργο: την αναζήτηση νέων και προηγμένων υλικών. Η πρόσφατη έρευνα έχει επικεντρωθεί στη βελτίωση της ποιότητας και της απόδοσης των υπαρχόντων υλικών, καθώς και στη σύνθεση και την εφεύρεση εντελώς νέων τύπων υλικών.
Η προσθήκη στοιχείων κράματος, η τροποποίηση της μικροδομής του υλικού και η εφαρμογή μεθόδων θερμικής, μηχανικής ή θερμομηχανικής επεξεργασίας έχουν οδηγήσει σε σημαντική βελτίωση των μηχανικών, χημικών και φυσικών ιδιοτήτων διαφόρων υλικών. Επιπλέον, έχουν συντεθεί με επιτυχία μέχρι τώρα άγνωστες ενώσεις. Αυτές οι επίμονες προσπάθειες έχουν οδηγήσει στη δημιουργία μιας νέας οικογένειας καινοτόμων υλικών, συλλογικά γνωστών ως Προηγμένα Υλικά2. Νανοκρύσταλλοι, νανοσωματίδια, νανοσωλήνες, κβαντικές κουκκίδες, μηδενικών διαστάσεων, άμορφα μεταλλικά γυαλιά και κράματα υψηλής εντροπίας είναι μόνο μερικά παραδείγματα προηγμένων υλικών που έχουν εμφανιστεί στον κόσμο από τα μέσα του περασμένου αιώνα. Στην κατασκευή και ανάπτυξη νέων κραμάτων με βελτιωμένες ιδιότητες, τόσο στο τελικό προϊόν όσο και στα ενδιάμεσα στάδια της παραγωγής του, συχνά προστίθεται το πρόβλημα της ανισορροπίας. Ως αποτέλεσμα της εισαγωγής νέων τεχνικών κατασκευής που επιτρέπουν σημαντικές αποκλίσεις από την ισορροπία, έχει ανακαλυφθεί μια ολόκληρη νέα κατηγορία μετασταθερών κραμάτων, γνωστών ως μεταλλικά γυαλιά.
Η εργασία του στο Caltech το 1960 έφερε επανάσταση στην έννοια των μεταλλικών κραμάτων όταν συνέθεσε υαλώδη κράματα Au-25 at.% Si στερεοποιώντας γρήγορα υγρά με σχεδόν ένα εκατομμύριο βαθμούς ανά δευτερόλεπτο. 4 Η ανακάλυψη του καθηγητή Paul Duves όχι μόνο σηματοδότησε την αρχή της ιστορίας των μεταλλικών γυαλιών (MS), αλλά οδήγησε και σε μια παραδειγματική αλλαγή στον τρόπο που οι άνθρωποι σκέφτονται για τα μεταλλικά κράματα. Από την πρώτη κιόλας πρωτοποριακή έρευνα στη σύνθεση κραμάτων MS, σχεδόν όλα τα μεταλλικά γυαλιά έχουν παραχθεί πλήρως χρησιμοποιώντας μία από τις ακόλουθες μεθόδους: (i) ταχεία στερεοποίηση του τήγματος ή του ατμού, (ii) αταξία ατομικού πλέγματος, (iii) αντιδράσεις αμορφοποίησης στερεάς κατάστασης μεταξύ καθαρών μεταλλικών στοιχείων και (iv) μεταβάσεις στερεάς φάσης μετασταθερών φάσεων.
Τα MG διακρίνονται από την απουσία ατομικής τάξης μεγάλης εμβέλειας που σχετίζεται με τους κρυστάλλους, η οποία αποτελεί καθοριστικό χαρακτηριστικό των κρυστάλλων. Στον σύγχρονο κόσμο, έχει σημειωθεί μεγάλη πρόοδος στον τομέα του μεταλλικού γυαλιού. Πρόκειται για νέα υλικά με ενδιαφέρουσες ιδιότητες που παρουσιάζουν ενδιαφέρον όχι μόνο για τη φυσική στερεάς κατάστασης, αλλά και για τη μεταλλουργία, τη χημεία επιφανειών, την τεχνολογία, τη βιολογία και πολλούς άλλους τομείς. Αυτός ο νέος τύπος υλικού έχει ιδιότητες που διαφέρουν από τα σκληρά μέταλλα, καθιστώντας τον έναν ενδιαφέροντα υποψήφιο για τεχνολογικές εφαρμογές σε μια ποικιλία πεδίων. Έχουν ορισμένες σημαντικές ιδιότητες: (i) υψηλή μηχανική ολκιμότητα και όριο διαρροής, (ii) υψηλή μαγνητική διαπερατότητα, (iii) χαμηλή συνεκτικότητα, (iv) ασυνήθιστη αντοχή στη διάβρωση, (v) ανεξαρτησία από τη θερμοκρασία. Αγωγιμότητα 6.7.
Η μηχανική κράματωση (MA)1,8 είναι μια σχετικά νέα μέθοδος, η οποία εισήχθη για πρώτη φορά το 19839 από τον καθηγητή KK Kok και τους συναδέλφους του. Παρήγαγαν άμορφες σκόνες Ni60Nb40 αλέθοντας ένα μείγμα καθαρών στοιχείων σε θερμοκρασία περιβάλλοντος πολύ κοντά στη θερμοκρασία δωματίου. Συνήθως, η αντίδραση MA πραγματοποιείται μεταξύ της σύνδεσης διάχυσης των σκονών των αντιδρώντων σε έναν αντιδραστήρα, συνήθως κατασκευασμένο από ανοξείδωτο χάλυβα, σε έναν σφαιρόμυλο.10 (Εικ. 1α, β). Έκτοτε, αυτή η μηχανικά επαγόμενη μέθοδος αντίδρασης στερεάς κατάστασης έχει χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή νέων σκονών άμορφων/μεταλλικών κραμάτων γυαλιού χρησιμοποιώντας σφαιρόμυλους χαμηλής (Εικ. 1γ) και υψηλής ενέργειας και ραβδόμυλους11,12,13,14,15,16. Συγκεκριμένα, αυτή η μέθοδος έχει χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή μη αναμίξιμων συστημάτων όπως Cu-Ta17 καθώς και κραμάτων υψηλού σημείου τήξης όπως συστήματα μεταβατικών μετάλλων Al (TM, Zr, Hf, Nb και Ta)18,19 και Fe-W20. , τα οποία δεν μπορούν να ληφθούν με συμβατικές μεθόδους μαγειρέματος. Επιπλέον, η ΜΑ θεωρείται ένα από τα πιο ισχυρά νανοτεχνολογικά εργαλεία για την παραγωγή σε βιομηχανική κλίμακα νανοκρυσταλλικών και νανοσύνθετων σωματιδίων σκόνης από οξείδια μετάλλων, καρβίδια, νιτρίδια, υδρίδια, νανοσωλήνες άνθρακα, νανοδιαμάντια, καθώς και για ευρεία σταθεροποίηση χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση από πάνω προς τα κάτω. 1 και μετασταθή στάδια.
Σχηματική απεικόνιση της μεθόδου κατασκευής που χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή της μεταλλικής γυάλινης επίστρωσης Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 σε αυτή τη μελέτη. (α) Παρασκευή σκονών κράματος MC με διάφορες συγκεντρώσεις Ni x (x; 10, 20, 30 και 40 at.%) χρησιμοποιώντας τη μέθοδο άλεσης με σφαιρίδια χαμηλής ενέργειας. (α) Το αρχικό υλικό φορτώνεται σε έναν κύλινδρο εργαλείου μαζί με σφαιρίδια χάλυβα εργαλείων και (β) σφραγίζεται σε ένα ντουλαπάκι γυαλιού γεμάτο με ατμόσφαιρα He. (γ) Διαφανές μοντέλο του δοχείου άλεσης που απεικονίζει την κίνηση της μπάλας κατά την άλεση. Το τελικό προϊόν σκόνης που ελήφθη μετά από 50 ώρες χρησιμοποιήθηκε για την επικάλυψη με ψυχρό ψεκασμό του υποστρώματος SUS 304 (δ).
Όσον αφορά τις επιφάνειες χύδην υλικών (υποστρώματα), η μηχανική επιφανειών περιλαμβάνει τον σχεδιασμό και την τροποποίηση επιφανειών (υποστρωμάτων) για την παροχή ορισμένων φυσικών, χημικών και τεχνικών ιδιοτήτων που δεν υπάρχουν στο αρχικό χύδην υλικό. Ορισμένες από τις ιδιότητες που μπορούν να βελτιωθούν αποτελεσματικά μέσω της επιφανειακής επεξεργασίας περιλαμβάνουν την αντοχή στην τριβή, την οξείδωση και τη διάβρωση, τον συντελεστή τριβής, τη βιοαδράνεια, τις ηλεκτρικές ιδιότητες και τη θερμομόνωση, για να αναφέρουμε μόνο μερικές. Η ποιότητα της επιφάνειας μπορεί να βελτιωθεί με μεταλλουργικές, μηχανικές ή χημικές μεθόδους. Ως μια γνωστή διαδικασία, η επίστρωση ορίζεται απλώς ως ένα ή περισσότερα στρώματα υλικού που εφαρμόζονται τεχνητά στην επιφάνεια ενός χύδην αντικειμένου (υποστρώματος) κατασκευασμένου από άλλο υλικό. Έτσι, οι επιστρώσεις χρησιμοποιούνται εν μέρει για την επίτευξη των επιθυμητών τεχνικών ή διακοσμητικών ιδιοτήτων, καθώς και για την προστασία των υλικών από τις αναμενόμενες χημικές και φυσικές αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον23.
Μια ποικιλία μεθόδων και τεχνικών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εφαρμογή κατάλληλων προστατευτικών στρωμάτων από λίγα μικρόμετρα (κάτω των 10-20 μικρόμετρα) έως πάχος άνω των 30 μικρόμετρων ή ακόμη και αρκετών χιλιοστών. Γενικά, οι διαδικασίες επίστρωσης μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: (i) μέθοδοι υγρής επίστρωσης, συμπεριλαμβανομένης της ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης, της ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης και του γαλβανισμού εν θερμώ, και (ii) μέθοδοι ξηρής επίστρωσης, συμπεριλαμβανομένης της συγκόλλησης, της σκληρής επίστρωσης, της φυσικής εναπόθεσης ατμών (PVD). ), της χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD), των τεχνικών θερμικού ψεκασμού και, πιο πρόσφατα, των τεχνικών ψυχρού ψεκασμού 24 (Σχήμα 1δ).
Τα βιοφίλμ ορίζονται ως μικροβιακές κοινότητες που είναι μη αναστρέψιμα προσκολλημένες σε επιφάνειες και περιβάλλονται από αυτοπαραγόμενα εξωκυτταρικά πολυμερή (EPS). Ο σχηματισμός ενός επιφανειακά ώριμου βιοφίλμ μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικές απώλειες σε πολλές βιομηχανίες, συμπεριλαμβανομένης της επεξεργασίας τροφίμων, των συστημάτων ύδρευσης και της υγειονομικής περίθαλψης. Στους ανθρώπους, με τον σχηματισμό βιοφίλμ, περισσότερο από το 80% των περιπτώσεων μικροβιακών λοιμώξεων (συμπεριλαμβανομένων των Enterobacteriaceae και Staphylococcus) είναι δύσκολο να αντιμετωπιστούν. Επιπλέον, έχει αναφερθεί ότι τα ώριμα βιοφίλμ είναι 1000 φορές πιο ανθεκτικά στην αντιβιοτική θεραπεία σε σύγκριση με τα πλαγκτονικά βακτηριακά κύτταρα, κάτι που θεωρείται σημαντική θεραπευτική πρόκληση. Ιστορικά, έχουν χρησιμοποιηθεί αντιμικροβιακά υλικά επικάλυψης επιφανειών που προέρχονται από κοινές οργανικές ενώσεις. Αν και τέτοια υλικά συχνά περιέχουν τοξικά συστατικά δυνητικά επιβλαβή για τον άνθρωπο,25,26 αυτό μπορεί να βοηθήσει στην αποφυγή της βακτηριακής μετάδοσης και της υποβάθμισης του υλικού.
Η εκτεταμένη βακτηριακή αντοχή στη θεραπεία με αντιβιοτικά λόγω του σχηματισμού βιοφίλμ έχει οδηγήσει στην ανάγκη ανάπτυξης μιας αποτελεσματικής επιφάνειας επικαλυμμένης με αντιμικροβιακή μεμβράνη που μπορεί να εφαρμοστεί με ασφάλεια27. Η ανάπτυξη μιας φυσικής ή χημικής αντικολλητικής επιφάνειας στην οποία τα βακτηριακά κύτταρα δεν μπορούν να προσδεθούν και να σχηματίσουν βιοφίλμ λόγω πρόσφυσης είναι η πρώτη προσέγγιση σε αυτή τη διαδικασία27. Η δεύτερη τεχνολογία είναι η ανάπτυξη επιστρώσεων που παρέχουν αντιμικροβιακές χημικές ουσίες ακριβώς εκεί που χρειάζονται, σε πολύ συμπυκνωμένες και προσαρμοσμένες ποσότητες. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της ανάπτυξης μοναδικών υλικών επικάλυψης όπως γραφένιο/γερμάνιο28, μαύρο διαμάντι29 και επιστρώσεις άνθρακα τύπου διαμαντιού με πρόσμιξη ZnO30 που είναι ανθεκτικές στα βακτήρια, μια τεχνολογία που μεγιστοποιεί την ανάπτυξη τοξικότητας και αντοχής λόγω του σχηματισμού βιοφίλμ. Επιπλέον, οι επιστρώσεις που περιέχουν μικροβιοκτόνες χημικές ουσίες που παρέχουν μακροπρόθεσμη προστασία από βακτηριακή μόλυνση γίνονται ολοένα και πιο δημοφιλείς. Ενώ και οι τρεις διαδικασίες είναι ικανές να ασκήσουν αντιμικροβιακή δράση σε επικαλυμμένες επιφάνειες, η καθεμία έχει το δικό της σύνολο περιορισμών που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά την ανάπτυξη μιας στρατηγικής εφαρμογής.
Τα προϊόντα που κυκλοφορούν σήμερα στην αγορά παρεμποδίζονται από την έλλειψη χρόνου για την ανάλυση και τον έλεγχο προστατευτικών επικαλύψεων για βιολογικά ενεργά συστατικά. Οι εταιρείες ισχυρίζονται ότι τα προϊόντα τους θα παρέχουν στους χρήστες τις επιθυμητές λειτουργικές πτυχές, ωστόσο, αυτό έχει γίνει εμπόδιο στην επιτυχία των προϊόντων που κυκλοφορούν σήμερα στην αγορά. Ενώσεις που προέρχονται από άργυρο χρησιμοποιούνται στη συντριπτική πλειοψηφία των αντιμικροβιακών που διατίθενται σήμερα στους καταναλωτές. Αυτά τα προϊόντα έχουν σχεδιαστεί για να προστατεύουν τους χρήστες από δυνητικά επιβλαβή έκθεση σε μικροοργανισμούς. Η καθυστερημένη αντιμικροβιακή δράση και η σχετική τοξικότητα των ενώσεων αργύρου αυξάνουν την πίεση στους ερευνητές να αναπτύξουν μια λιγότερο επιβλαβή εναλλακτική λύση36,37. Η δημιουργία μιας παγκόσμιας αντιμικροβιακής επικάλυψης που λειτουργεί εσωτερικά και εξωτερικά παραμένει μια πρόκληση. Αυτό συνοδεύεται από σχετικούς κινδύνους για την υγεία και την ασφάλεια. Η ανακάλυψη ενός αντιμικροβιακού παράγοντα που είναι λιγότερο επιβλαβής για τον άνθρωπο και η κατανόηση του τρόπου ενσωμάτωσής του σε υποστρώματα επικάλυψης με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής είναι ένας πολύ περιζήτητος στόχος38. Τα πιο πρόσφατα αντιμικροβιακά και αντιβιοφίλμ υλικά έχουν σχεδιαστεί για να σκοτώνουν βακτήρια σε κοντινή απόσταση είτε με άμεση επαφή είτε μετά την απελευθέρωση του δραστικού παράγοντα. Μπορούν να το κάνουν αυτό αναστέλλοντας την αρχική βακτηριακή προσκόλληση (συμπεριλαμβανομένης της πρόληψης του σχηματισμού ενός πρωτεϊνικού στρώματος στην επιφάνεια) ή σκοτώνοντας βακτήρια παρεμβαίνοντας στο κυτταρικό τοίχωμα.
Ουσιαστικά, η επιφανειακή επίστρωση είναι η διαδικασία εφαρμογής ενός ακόμη στρώματος στην επιφάνεια ενός εξαρτήματος για τη βελτίωση των χαρακτηριστικών της επιφάνειας. Ο σκοπός μιας επιφανειακής επίστρωσης είναι η αλλαγή της μικροδομής ή/και της σύνθεσης της περιοχής κοντά στην επιφάνεια ενός εξαρτήματος39. Οι μέθοδοι επιφανειακής επίστρωσης μπορούν να χωριστούν σε διαφορετικές μεθόδους, οι οποίες συνοψίζονται στο Σχήμα 2α. Οι επιστρώσεις μπορούν να χωριστούν σε θερμικές, χημικές, φυσικές και ηλεκτροχημικές κατηγορίες ανάλογα με τη μέθοδο που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία της επίστρωσης.
(α) Ένα ένθετο που δείχνει τις κύριες τεχνικές κατασκευής επιφανειών και (β) επιλεγμένα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της μεθόδου ψεκασμού εν ψυχρώ.
Η τεχνολογία ψυχρού ψεκασμού έχει πολλά κοινά με τις παραδοσιακές τεχνικές θερμικού ψεκασμού. Ωστόσο, υπάρχουν επίσης ορισμένες βασικές θεμελιώδεις ιδιότητες που καθιστούν τη διαδικασία ψυχρού ψεκασμού και τα υλικά ψυχρού ψεκασμού ιδιαίτερα μοναδικά. Η τεχνολογία ψυχρού ψεκασμού βρίσκεται ακόμη στα σπάργανα, αλλά έχει λαμπρό μέλλον. Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι μοναδικές ιδιότητες του ψυχρού ψεκασμού προσφέρουν μεγάλα οφέλη, ξεπερνώντας τους περιορισμούς των συμβατικών τεχνικών θερμικού ψεκασμού. Υπερνικά τους σημαντικούς περιορισμούς της παραδοσιακής τεχνολογίας θερμικού ψεκασμού, στην οποία η σκόνη πρέπει να λιώσει για να εναποτεθεί σε ένα υπόστρωμα. Προφανώς, αυτή η παραδοσιακή διαδικασία επίστρωσης δεν είναι κατάλληλη για υλικά πολύ ευαίσθητα στη θερμοκρασία, όπως νανοκρύσταλλοι, νανοσωματίδια, άμορφα και μεταλλικά γυαλιά40, 41, 42. Επιπλέον, τα υλικά θερμικής επίστρωσης ψεκασμού έχουν πάντα υψηλό επίπεδο πορώδους και οξειδίων. Η τεχνολογία ψυχρού ψεκασμού έχει πολλά σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με την τεχνολογία θερμικού ψεκασμού, όπως (i) ελάχιστη εισαγωγή θερμότητας στο υπόστρωμα, (ii) ευελιξία στην επιλογή της επίστρωσης του υποστρώματος, (iii) έλλειψη μετασχηματισμού φάσης και ανάπτυξης κόκκων, (iv) υψηλή αντοχή πρόσφυσης1 .39 (Εικ. 2β). Επιπλέον, τα υλικά επίστρωσης με ψυχρό ψεκασμό έχουν υψηλή αντοχή στη διάβρωση, υψηλή αντοχή και σκληρότητα, υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και υψηλή πυκνότητα41. Παρά τα πλεονεκτήματα της διαδικασίας ψυχρού ψεκασμού, αυτή η μέθοδος εξακολουθεί να έχει ορισμένα μειονεκτήματα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2β. Κατά την επικάλυψη καθαρών κεραμικών σκονών όπως Al2O3, TiO2, ZrO2, WC κ.λπ., η μέθοδος ψυχρού ψεκασμού δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Από την άλλη πλευρά, οι κεραμικές/μεταλλικές σύνθετες σκόνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πρώτες ύλες για επιστρώσεις. Το ίδιο ισχύει και για άλλες μεθόδους θερμικού ψεκασμού. Οι δύσκολες επιφάνειες και τα εσωτερικά των σωλήνων εξακολουθούν να είναι δύσκολο να ψεκαστούν.
Λαμβάνοντας υπόψη ότι η παρούσα εργασία αφορά τη χρήση μεταλλικών υαλωδών σκονών ως αρχικών υλικών για επιστρώσεις, είναι σαφές ότι ο συμβατικός θερμικός ψεκασμός δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον σκοπό αυτό. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι μεταλλικές υαλώδεις σκόνες κρυσταλλώνονται σε υψηλές θερμοκρασίες1.
Τα περισσότερα από τα εργαλεία που χρησιμοποιούνται στις ιατρικές και βιομηχανίες τροφίμων κατασκευάζονται από ωστενιτικά κράματα ανοξείδωτου χάλυβα (SUS316 και SUS304) με περιεκτικότητα σε χρώμιο 12 έως 20% κατά βάρος για την παραγωγή χειρουργικών εργαλείων. Είναι γενικά αποδεκτό ότι η χρήση μεταλλικού χρωμίου ως στοιχείου κράματος σε κράματα χάλυβα μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την αντοχή στη διάβρωση των τυπικών κραμάτων χάλυβα. Τα κράματα ανοξείδωτου χάλυβα, παρά την υψηλή αντοχή τους στη διάβρωση, δεν έχουν σημαντικές αντιμικροβιακές ιδιότητες38,39. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με την υψηλή αντοχή τους στη διάβρωση. Μετά από αυτό, είναι δυνατόν να προβλεφθεί η ανάπτυξη λοίμωξης και φλεγμονής, οι οποίες οφείλονται κυρίως στην βακτηριακή προσκόλληση και τον αποικισμό στην επιφάνεια των βιοϋλικών ανοξείδωτου χάλυβα. Σημαντικές δυσκολίες μπορεί να προκύψουν λόγω των σημαντικών δυσκολιών που σχετίζονται με την βακτηριακή προσκόλληση και τις οδούς σχηματισμού βιοφίλμ, οι οποίες μπορούν να οδηγήσουν σε κακή υγεία, η οποία μπορεί να έχει πολλές συνέπειες που μπορούν να επηρεάσουν άμεσα ή έμμεσα την ανθρώπινη υγεία.
Η παρούσα μελέτη αποτελεί την πρώτη φάση ενός έργου που χρηματοδοτείται από το Ίδρυμα του Κουβέιτ για την Προώθηση της Επιστήμης (KFAS), με αριθμό σύμβασης 2010-550401, για τη διερεύνηση της σκοπιμότητας παραγωγής μεταλλικών υαλωδών τριαδικών σκονών Cu-Zr-Ni χρησιμοποιώντας τεχνολογία MA (πίνακας). 1) Για την παραγωγή αντιβακτηριακής μεμβράνης/επικάλυψης επιφανειακής προστασίας SUS304. Η δεύτερη φάση του έργου, που αναμένεται να ξεκινήσει τον Ιανουάριο του 2023, θα μελετήσει λεπτομερώς τα χαρακτηριστικά γαλβανικής διάβρωσης και τις μηχανικές ιδιότητες του συστήματος. Θα διεξαχθούν λεπτομερείς μικροβιολογικές δοκιμές για διάφορους τύπους βακτηρίων.
Αυτό το άρθρο συζητά την επίδραση της περιεκτικότητας σε κράμα Zr στην ικανότητα σχηματισμού υάλου (GFA) με βάση μορφολογικά και δομικά χαρακτηριστικά. Επιπλέον, συζητήθηκαν επίσης οι αντιβακτηριακές ιδιότητες του σύνθετου υλικού μεταλλικού γυαλιού/SUS304 με επικάλυψη σκόνης. Επιπλέον, έχει διεξαχθεί συνεχιζόμενη εργασία για τη διερεύνηση της πιθανότητας δομικού μετασχηματισμού μεταλλικών γυάλινων σκονών που συμβαίνει κατά τον ψυχρό ψεκασμό στην περιοχή του υπερψυγμένου υγρού κατασκευασμένων μεταλλικών γυάλινων συστημάτων. Τα μεταλλικά γυάλινα κράματα Cu50Zr30Ni20 και Cu50Zr20Ni30 χρησιμοποιήθηκαν ως αντιπροσωπευτικά παραδείγματα σε αυτή τη μελέτη.
Αυτή η ενότητα παρουσιάζει τις μορφολογικές αλλαγές στις σκόνες στοιχειακού Cu, Zr και Ni κατά την άλεση με σφαιρίδια χαμηλής ενέργειας. Δύο διαφορετικά συστήματα που αποτελούνται από Cu50Zr20Ni30 και Cu50Zr40Ni10 θα χρησιμοποιηθούν ως ενδεικτικά παραδείγματα. Η διαδικασία MA μπορεί να χωριστεί σε τρία ξεχωριστά στάδια, όπως αποδεικνύεται από τον μεταλλογραφικό χαρακτηρισμό της σκόνης που λαμβάνεται στο στάδιο της άλεσης (Εικ. 3).
Μεταλλογραφικά χαρακτηριστικά σκονών μηχανικών κραμάτων (MA) που λαμβάνονται μετά από διάφορα στάδια λείανσης με σφαιρίδια. Εικόνες μικροσκοπίας σάρωσης ηλεκτρονικού πεδίου εκπομπής (FE-SEM) σκονών MA και Cu50Zr40Ni10 που λαμβάνονται μετά από άλεση με σφαιρίδια χαμηλής ενέργειας για 3, 12 και 50 ώρες παρουσιάζονται στα (α), (γ) και (ε) για το σύστημα Cu50Zr20Ni30, ενώ βρίσκονται στο ίδιο MA. Οι αντίστοιχες εικόνες του συστήματος Cu50Zr40Ni10 που λαμβάνονται μετά από χρόνο παρουσιάζονται στα (β), (δ) και (στ).
Κατά τη διάρκεια της άλεσης με σφαιρίδια, η ενεργός κινητική ενέργεια που μπορεί να μεταφερθεί στη μεταλλική σκόνη επηρεάζεται από έναν συνδυασμό παραμέτρων, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1α. Αυτό περιλαμβάνει συγκρούσεις μεταξύ σφαιριδίων και σκονών, διατμητική συμπίεση της σκόνης που έχει κολλήσει μεταξύ ή μεταξύ των μέσων άλεσης, κρούσεις από πτώση σφαιριδίων, διάτμηση και φθορά που προκαλείται από την οπισθέλκουσα της σκόνης μεταξύ των κινούμενων σωμάτων ενός μύλου σφαιριδίων και ένα κρουστικό κύμα που διέρχεται από πτώση σφαιριδίων και διαδίδεται μέσω της φορτωμένης καλλιέργειας (Σχήμα 1α). Элементарные порошки Cu, Zr и Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки на ранней стадии МА (3 ώρες), что привело к образованию крупных частиц порошка (> 1 мм в дијаметре). Οι στοιχειακές σκόνες Cu, Zr και Ni παραμορφώθηκαν σοβαρά λόγω ψυχρής συγκόλλησης σε πρώιμο στάδιο της MA (3 ώρες), γεγονός που οδήγησε στο σχηματισμό μεγάλων σωματιδίων σκόνης (διαμέτρου > 1 mm).Αυτά τα μεγάλα σύνθετα σωματίδια χαρακτηρίζονται από τον σχηματισμό παχιών στρωμάτων στοιχείων κράματος (Cu, Zr, Ni), όπως φαίνεται στο σχήμα 3α,β. Η αύξηση του χρόνου MA στις 12 ώρες (ενδιάμεσο στάδιο) οδήγησε σε αύξηση της κινητικής ενέργειας του σφαιρόμυλου, η οποία οδήγησε στην αποσύνθεση της σύνθετης σκόνης σε μικρότερες σκόνες (λιγότερο από 200 μm), όπως φαίνεται στο σχήμα 3γ, city. Σε αυτό το στάδιο, η εφαρμοζόμενη δύναμη διάτμησης οδηγεί στο σχηματισμό μιας νέας μεταλλικής επιφάνειας με λεπτά στρώματα Cu, Zr, Ni, όπως φαίνεται στο σχήμα 3γ,δ. Ως αποτέλεσμα της άλεσης των στρωμάτων στη διεπαφή των νιφάδων, συμβαίνουν αντιδράσεις στερεάς φάσης με σχηματισμό νέων φάσεων.
Στο αποκορύφωμα της διεργασίας MA (μετά από 50 ώρες), η μεταλλογραφία νιφάδων ήταν μόλις αισθητή (Εικ. 3e, f) και παρατηρήθηκε μεταλλογραφία καθρέφτη στην γυαλισμένη επιφάνεια της σκόνης. Αυτό σημαίνει ότι η διεργασία MA ολοκληρώθηκε και δημιουργήθηκε μία μόνο φάση αντίδρασης. Η στοιχειακή σύνθεση των περιοχών που υποδεικνύονται στα Σχήματα 3e (I, II, III), f, v, vi) προσδιορίστηκε χρησιμοποιώντας ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης εκπομπής πεδίου (FE-SEM) σε συνδυασμό με φασματοσκοπία ακτίνων Χ ενεργειακής διασποράς (EDS). (IV).
Στον πίνακα 2, οι στοιχειακές συγκεντρώσεις των στοιχείων κράματος παρουσιάζονται ως ποσοστό της συνολικής μάζας κάθε περιοχής που επιλέχθηκε στα σχήματα 3ε, στ. Συγκρίνοντας αυτά τα αποτελέσματα με τις αρχικές ονομαστικές συνθέσεις των Cu50Zr20Ni30 και Cu50Zr40Ni10 που δίνονται στον Πίνακα 1, φαίνεται ότι οι συνθέσεις αυτών των δύο τελικών προϊόντων είναι πολύ κοντά στις ονομαστικές συνθέσεις. Επιπλέον, οι σχετικές τιμές των συστατικών για τις περιοχές που αναφέρονται στα σχήματα 3ε, στ δεν υποδηλώνουν σημαντική επιδείνωση ή διακύμανση στη σύνθεση κάθε δείγματος από τη μία περιοχή στην άλλη. Αυτό αποδεικνύεται από το γεγονός ότι δεν υπάρχει αλλαγή στη σύνθεση από τη μία περιοχή στην άλλη. Αυτό υποδηλώνει την παραγωγή ομοιόμορφων σκονών κράματος όπως φαίνεται στον Πίνακα 2.
Μικρογραφίες FE-SEM της τελικής σκόνης Cu50(Zr50-xNix) ελήφθησαν μετά από 50 φορές MA, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4a-d, όπου το x είναι 10, 20, 30 και 40 at.%, αντίστοιχα. Μετά από αυτό το βήμα άλεσης, η σκόνη συσσωματώνεται λόγω του φαινομένου van der Waals, το οποίο οδηγεί στο σχηματισμό μεγάλων συσσωματωμάτων που αποτελούνται από εξαιρετικά λεπτά σωματίδια με διάμετρο από 73 έως 126 nm, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.
Μορφολογικά χαρακτηριστικά σκονών Cu50(Zr50-xNix) που ελήφθησαν μετά από 50 ώρες MA. Για τα συστήματα Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40, οι εικόνες FE-SEM των σκονών που ελήφθησαν μετά από 50 MA παρουσιάζονται στα (α), (β), (γ) και (δ), αντίστοιχα.
Πριν από τη φόρτωση των σκονών στον τροφοδότη ψυχρού ψεκασμού, υποβλήθηκαν πρώτα σε υπερήχους σε αιθανόλη αναλυτικής καθαρότητας για 15 λεπτά και στη συνέχεια ξηράνθηκαν στους 150°C για 2 ώρες. Αυτό το βήμα πρέπει να γίνει για την επιτυχή καταπολέμηση της συσσωμάτωσης, η οποία συχνά προκαλεί πολλά σοβαρά προβλήματα στη διαδικασία επικάλυψης. Μετά την ολοκλήρωση της διαδικασίας MA, πραγματοποιήθηκαν περαιτέρω μελέτες για τη διερεύνηση της ομοιογένειας των σκονών κράματος. Στα σχήματα 5α-δ φαίνονται μικρογραφίες FE-SEM και αντίστοιχες εικόνες EDS των στοιχείων κράματος Cu, Zr και Ni του κράματος Cu50Zr30Ni20 που ελήφθησαν μετά από 50 ώρες χρόνου M, αντίστοιχα. Πρέπει να σημειωθεί ότι οι σκόνες κράματος που λαμβάνονται μετά από αυτό το βήμα είναι ομοιογενείς, καθώς δεν παρουσιάζουν διακυμάνσεις στη σύνθεση πέραν του επιπέδου υπο-νανομέτρου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.
Μορφολογία και τοπική κατανομή στοιχείων σε σκόνη MG Cu50Zr30Ni20 που ελήφθη μετά από 50 MA με FE-SEM/Φασματοσκοπία Ενεργειακής Διασποράς Ακτίνων Χ (EDS). (α) Απεικόνιση SEM και ακτίνων Χ EDS των (β) Cu-Kα, (γ) Zr-Lα και (δ) Ni-Kα.
Τα διαγράμματα περίθλασης ακτίνων Χ των μηχανικά κραματοποιημένων σκονών Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 και Cu50Zr20Ni30 που ελήφθησαν μετά από 50ωρη ΜΑ παρουσιάζονται στα Σχήματα 6α-δ, αντίστοιχα. Μετά από αυτό το στάδιο άλεσης, όλα τα δείγματα με διαφορετικές συγκεντρώσεις Zr είχαν άμορφες δομές με χαρακτηριστικά διαγράμματα διάχυσης αλογόνου που φαίνονται στο Σχήμα 6.
Διαγράμματα περίθλασης ακτίνων Χ των σκονών Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) και Cu50Zr20Ni30 (d) μετά από ΜΑ για 50 ώρες. Παρατηρήθηκε ένα μοτίβο διάχυσης αλόγου σε όλα τα δείγματα χωρίς εξαίρεση, υποδεικνύοντας τον σχηματισμό μιας άμορφης φάσης.
Η ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης εκπομπής πεδίου υψηλής ανάλυσης (FE-HRTEM) χρησιμοποιήθηκε για την παρατήρηση δομικών αλλαγών και την κατανόηση της τοπικής δομής των σκονών που προκύπτουν από την άλεση με σφαιρίδια σε διαφορετικούς χρόνους MA. Εικόνες σκονών που ελήφθησαν με τη μέθοδο FE-HRTEM μετά τα πρώιμα (6 ώρες) και ενδιάμεσα (18 ώρες) στάδια άλεσης των σκονών Cu50Zr30Ni20 και Cu50Zr40Ni10 παρουσιάζονται στα Σχήματα 7α, αντίστοιχα. Σύμφωνα με την εικόνα φωτεινού πεδίου (BFI) της σκόνης που ελήφθη μετά από 6 ώρες MA, η σκόνη αποτελείται από μεγάλους κόκκους με σαφώς καθορισμένα όρια των στοιχείων fcc-Cu, hcp-Zr και fcc-Ni, και δεν υπάρχουν σημάδια σχηματισμού φάσης αντίδρασης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7α. Επιπλέον, ένα συσχετισμένο διάγραμμα περίθλασης επιλεγμένης περιοχής (SADP) που ελήφθη από τη μεσαία περιοχή (α) αποκάλυψε ένα έντονο διάγραμμα περίθλασης (Σχήμα 7β) που υποδεικνύει την παρουσία μεγάλων κρυσταλλιτών και την απουσία μιας αντιδραστικής φάσης.
Τοπικά δομικά χαρακτηριστικά της σκόνης MA που ελήφθη μετά τα πρώιμα (6 ώρες) και ενδιάμεσα (18 ώρες) στάδια. (α) Ηλεκτρονική μικροσκοπία μετάδοσης εκπομπής πεδίου υψηλής ανάλυσης (FE-HRTEM) και (β) αντίστοιχο περιθλασιόγραμμα επιλεγμένης περιοχής (SADP) σκόνης Cu50Zr30Ni20 μετά από επεξεργασία MA για 6 ώρες. Η εικόνα FE-HRTEM του Cu50Zr40Ni10 που ελήφθη μετά από 18ωρη MA φαίνεται στο (γ).
Όπως φαίνεται στο σχήμα 7γ, η αύξηση της διάρκειας της MA σε 18 ώρες οδήγησε σε σοβαρά ελαττώματα του πλέγματος σε συνδυασμό με πλαστική παραμόρφωση. Σε αυτό το ενδιάμεσο στάδιο της διαδικασίας MA, εμφανίζονται διάφορα ελαττώματα στη σκόνη, συμπεριλαμβανομένων ελαττωμάτων στοίβαξης, ελαττωμάτων πλέγματος και σημειακών ελαττωμάτων (Εικ. 7). Αυτά τα ελαττώματα προκαλούν τον κατακερματισμό μεγάλων κόκκων κατά μήκος των ορίων των κόκκων σε υποκόκκους μικρότερους από 20 nm σε μέγεθος (Εικ. 7γ).
Η τοπική δομή της σκόνης Cu50Z30Ni20 που αλέθεται για 36 ώρες MA χαρακτηρίζεται από τον σχηματισμό εξαιρετικά λεπτών νανοκόκκων ενσωματωμένων σε μια άμορφη λεπτή μήτρα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 8α. Μια τοπική ανάλυση του EMF έδειξε ότι τα νανοσυστάδες που φαίνονται στα Σχήματα 8α σχετίζονται με μη επεξεργασμένα κράματα σκόνης Cu, Zr και Ni. Η περιεκτικότητα σε Cu στη μήτρα κυμαινόταν από ~32 at.% (φτωχή ζώνη) έως ~74 at.% (πλούσια ζώνη), γεγονός που υποδηλώνει τον σχηματισμό ετερογενών προϊόντων. Επιπλέον, τα αντίστοιχα SADP των σκονών που λαμβάνονται μετά την άλεση σε αυτό το βήμα δείχνουν πρωτογενείς και δευτερογενείς άμορφους δακτυλίους φάσης με διάχυση αλόγου που επικαλύπτονται με αιχμηρά σημεία που σχετίζονται με αυτά τα μη επεξεργασμένα στοιχεία κράματος, όπως φαίνεται στο Σχήμα 8β.
Νανοκλίμακα τοπικά δομικά χαρακτηριστικά της σκόνης Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20. (α) Εικόνα φωτεινού πεδίου (BFI) και αντίστοιχη (β) SADP της σκόνης Cu50Zr30Ni20 που ελήφθη μετά από άλεση για 36 ώρες MA.
Προς το τέλος της διεργασίας ΜΑ (50 ώρες), οι σκόνες Cu50(Zr50-xNix), X, 10, 20, 30 και 40 at.%, χωρίς εξαίρεση, έχουν μια λαβυρινθώδη μορφολογία της άμορφης φάσης, όπως φαίνεται στο Σχήμα . Ούτε σημειακή περίθλαση ούτε αιχμηρά δακτυλιοειδή μοτίβα ανιχνεύθηκαν στα αντίστοιχα SADS κάθε σύνθεσης. Αυτό υποδηλώνει την απουσία ακατέργαστου κρυσταλλικού μετάλλου, αλλά μάλλον τον σχηματισμό μιας άμορφης σκόνης κράματος. Αυτά τα συσχετισμένα SADP που παρουσιάζουν μοτίβα διάχυσης αλογόνου χρησιμοποιήθηκαν επίσης ως απόδειξη για την ανάπτυξη άμορφων φάσεων στο τελικό υλικό προϊόντος.
Τοπική δομή του τελικού προϊόντος του συστήματος Cu50 MS (Zr50-xNix). FE-HRTEM και συσχετισμένα διαγράμματα περίθλασης νανοδεσμών (NBDP) των (α) Cu50Zr40Ni10, (β) Cu50Zr30Ni20, (γ) Cu50Zr20Ni30 και (δ) Cu50Zr10Ni40 που ελήφθησαν μετά από 50 ώρες MA.
Χρησιμοποιώντας διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης, μελετήθηκε η θερμική σταθερότητα της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης (Tg), η περιοχή του υπερψυγμένου υγρού (ΔTx) και η θερμοκρασία κρυστάλλωσης (Tx) ανάλογα με την περιεκτικότητα σε Ni (x) στο άμορφο σύστημα Cu50(Zr50-xNix). (DSC) ιδιότητες στη ροή αερίου He. Οι καμπύλες DSC των σκονών άμορφων κραμάτων Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 και Cu50Zr10Ni40 που ελήφθησαν μετά από ΜΑ για 50 ώρες φαίνονται στα Σχήματα 10a, b, e, αντίστοιχα. Ενώ η καμπύλη DSC του άμορφου Cu50Zr20Ni30 φαίνεται ξεχωριστά στο Σχήμα 10ου αιώνα. Εν τω μεταξύ, ένα δείγμα Cu50Zr30Ni20 που θερμάνθηκε στους ~700°C σε DSC φαίνεται στο Σχήμα 10g.
Η θερμική σταθερότητα των σκονών Cu50(Zr50-xNix)MG που λαμβάνονται μετά από ΜΑ για 50 ώρες καθορίζεται από τη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (Tg), τη θερμοκρασία κρυστάλλωσης (Tx) και την περιοχή υπερψυγμένου υγρού (ΔTx). Θερμογράμματα σκονών διαφορικού θερμιδομέτρου σάρωσης (DSC) Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) και (e) σκονών κράματος Cu50Zr10Ni40MG μετά από ΜΑ για 50 ώρες. Ένα διάγραμμα περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) ενός δείγματος Cu50Zr30Ni20 που θερμαίνεται στους ~700°C σε DSC φαίνεται στο (d).
Όπως φαίνεται στο Σχήμα 10, οι καμπύλες DSC για όλες τις συνθέσεις με διαφορετικές συγκεντρώσεις νικελίου (x) υποδεικνύουν δύο διαφορετικές περιπτώσεις, μία ενδόθερμη και την άλλη εξώθερμη. Το πρώτο ενδόθερμο συμβάν αντιστοιχεί στην Tg, και το δεύτερο σχετίζεται με την Tx. Η οριζόντια περιοχή που υπάρχει μεταξύ της Tg και της Tx ονομάζεται περιοχή υποψυγμένου υγρού (ΔTx = Tx – Tg). Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι Tg και Tx του δείγματος Cu50Zr40Ni10 (Εικ. 10a) τοποθετημένου στους 526°C και 612°C μετατοπίζουν την περιεκτικότητα (x) έως και 20% προς την πλευρά της χαμηλής θερμοκρασίας των 482°C και 563°C.°C με αυξανόμενη περιεκτικότητα σε Ni (x), αντίστοιχα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 10b. Συνεπώς, η ΔTx Cu50Zr40Ni10 μειώνεται από 86°C (Εικ. 10a) σε 81°C για το Cu50Zr30Ni20 (Εικ. 10b). Για το κράμα MC Cu50Zr40Ni10, παρατηρήθηκε επίσης μείωση στις τιμές Tg, Tx και ΔTx στα επίπεδα των 447°C, 526°C και 79°C (Εικ. 10b). Αυτό δείχνει ότι η αύξηση της περιεκτικότητας σε Ni οδηγεί σε μείωση της θερμικής σταθερότητας του κράματος MS. Αντίθετα, η τιμή Tg (507 °C) του κράματος MC Cu50Zr20Ni30 είναι χαμηλότερη από αυτή του κράματος MC Cu50Zr40Ni10. Παρ' όλα αυτά, η Tx του παρουσιάζει μια τιμή συγκρίσιμη με αυτήν (612 °C). Επομένως, η ΔTx έχει υψηλότερη τιμή (87°C) όπως φαίνεται στο εικ. 10ος αιώνας.
Το σύστημα Cu50(Zr50-xNix)MC, χρησιμοποιώντας το κράμα Cu50Zr20Ni30MC ως παράδειγμα, κρυσταλλώνεται μέσω μιας αιχμηρής εξώθερμης κορυφής σε κρυσταλλικές φάσεις fcc-ZrCu5, ορθορομβικό-Zr7Cu10 και ορθορομβικό-ZrNi (Εικ. 10c). Αυτή η μετάβαση φάσης από άμορφη σε κρυσταλλική επιβεβαιώθηκε με ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ του δείγματος MG (Εικ. 10d) το οποίο θερμάνθηκε στους 700 °C σε DSC.
Στο σχήμα 11 φαίνονται φωτογραφίες που ελήφθησαν κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ψυχρού ψεκασμού που πραγματοποιήθηκε στην παρούσα εργασία. Σε αυτή τη μελέτη, σωματίδια μεταλλικής υαλώδους σκόνης που συντέθηκαν μετά από ΜΑ για 50 ώρες (χρησιμοποιώντας Cu50Zr20Ni30 ως παράδειγμα) χρησιμοποιήθηκαν ως αντιβακτηριακή πρώτη ύλη και μια πλάκα ανοξείδωτου χάλυβα (SUS304) επικαλύφθηκε με ψυχρό ψεκασμό. Η μέθοδος ψυχρού ψεκασμού επιλέχθηκε για την επικάλυψη στη σειρά τεχνολογίας θερμικού ψεκασμού επειδή είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος στη σειρά τεχνολογίας θερμικού ψεκασμού όπου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μεταλλικά μετασταθερά, ευαίσθητα στη θερμότητα υλικά όπως άμορφες και νανοκρυσταλλικές σκόνες. Δεν υπόκειται σε μεταβάσεις φάσης. Αυτός είναι ο κύριος παράγοντας στην επιλογή αυτής της μεθόδου. Η διαδικασία ψυχρής εναπόθεσης πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας σωματίδια υψηλής ταχύτητας που μετατρέπουν την κινητική ενέργεια των σωματιδίων σε πλαστική παραμόρφωση, παραμόρφωση και θερμότητα κατά την πρόσκρουση με το υπόστρωμα ή προηγουμένως εναποτιθέμενα σωματίδια.
Οι φωτογραφίες πεδίου δείχνουν τη διαδικασία ψυχρού ψεκασμού που χρησιμοποιήθηκε για πέντε διαδοχικές παρασκευές MG/SUS 304 στους 550°C.
Η κινητική ενέργεια των σωματιδίων, καθώς και η ορμή κάθε σωματιδίου κατά τον σχηματισμό της επικάλυψης, πρέπει να μετατραπούν σε άλλες μορφές ενέργειας μέσω μηχανισμών όπως η πλαστική παραμόρφωση (πρωτογενή σωματίδια και αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων στη μήτρα και αλληλεπιδράσεις σωματιδίων), οι ενδιάμεσοι κόμβοι στερεών, η περιστροφή μεταξύ των σωματιδίων, η παραμόρφωση και η περιοριστική θέρμανση 39. Επιπλέον, εάν δεν μετατραπεί όλη η εισερχόμενη κινητική ενέργεια σε θερμική ενέργεια και ενέργεια παραμόρφωσης, το αποτέλεσμα θα είναι μια ελαστική σύγκρουση, πράγμα που σημαίνει ότι τα σωματίδια απλώς αναπηδούν μετά την κρούση. Έχει παρατηρηθεί ότι το 90% της ενέργειας κρούσης που εφαρμόζεται στο υλικό σωματιδίου/υποστρώματος μετατρέπεται σε τοπική θερμότητα 40. Επιπλέον, όταν εφαρμόζεται τάση κρούσης, επιτυγχάνονται υψηλοί ρυθμοί πλαστικής παραμόρφωσης στην περιοχή επαφής σωματιδίου/υποστρώματος σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα 41,42.
Η πλαστική παραμόρφωση συνήθως θεωρείται ως μια διαδικασία απαγωγής ενέργειας ή, μάλλον, ως πηγή θερμότητας στην περιοχή της διεπιφάνειας. Ωστόσο, η αύξηση της θερμοκρασίας στην περιοχή της διεπιφάνειας συνήθως δεν επαρκεί για την εμφάνιση τήξης της διεπιφάνειας ή σημαντικής διέγερσης της αμοιβαίας διάχυσης των ατόμων. Καμία δημοσίευση, γνωστή στους συγγραφείς, δεν έχει διερευνήσει την επίδραση των ιδιοτήτων αυτών των μεταλλικών υαλοειδών σκονών στην πρόσφυση και την καθίζηση της σκόνης που συμβαίνουν κατά τη χρήση τεχνικών ψυχρού ψεκασμού.
Το BFI της σκόνης κράματος MG Cu50Zr20Ni30 φαίνεται στο Σχήμα 12α, το οποίο εναποτέθηκε στο υπόστρωμα SUS 304 (Σχήμα 11, 12β). Όπως φαίνεται από το σχήμα, οι επικαλυμμένες σκόνες διατηρούν την αρχική τους άμορφη δομή καθώς έχουν μια λεπτή λαβυρινθώδη δομή χωρίς κρυσταλλικά χαρακτηριστικά ή ελαττώματα πλέγματος. Από την άλλη πλευρά, η εικόνα υποδεικνύει την παρουσία μιας ξένης φάσης, όπως αποδεικνύεται από τα νανοσωματίδια που περιλαμβάνονται στην επικαλυμμένη με MG μήτρα σκόνης (Σχήμα 12α). Το Σχήμα 12γ δείχνει το ευρετηριασμένο μοτίβο περίθλασης νανοδέσμης (NBDP) που σχετίζεται με την περιοχή Ι (Σχήμα 12α). Όπως φαίνεται στο σχήμα 12γ, το NBDP παρουσιάζει ένα ασθενές μοτίβο διάχυσης αλόγου άμορφης δομής και συνυπάρχει με αιχμηρές κηλίδες που αντιστοιχούν σε μια κρυσταλλική μεγάλη κυβική μετασταθή φάση Zr2Ni συν μια τετραγωνική φάση CuO. Ο σχηματισμός CuO μπορεί να εξηγηθεί από την οξείδωση της σκόνης κατά τη μετακίνηση από το ακροφύσιο του πιστολιού ψεκασμού στο SUS 304 στον ανοιχτό αέρα σε υπερηχητική ροή. Από την άλλη πλευρά, η απουαλοποίηση μεταλλικών υαλωδών σκονών είχε ως αποτέλεσμα τον σχηματισμό μεγάλων κυβικών φάσεων μετά από ψεκασμό εν ψυχρώ στους 550°C για 30 λεπτά.
(α) Εικόνα FE-HRTEM σκόνης MG εναποτιθέμενης σε (β) υπόστρωμα SUS 304 (ένθετο σχήματος). Ο δείκτης NBDP του στρογγυλού συμβόλου που φαίνεται στο (α) φαίνεται στο (γ).
Για να δοκιμαστεί αυτός ο πιθανός μηχανισμός σχηματισμού μεγάλων κυβικών νανοσωματιδίων Zr2Ni, πραγματοποιήθηκε ένα ανεξάρτητο πείραμα. Σε αυτό το πείραμα, οι σκόνες ψεκάστηκαν από έναν ψεκαστήρα στους 550°C προς την κατεύθυνση του υποστρώματος SUS 304. Ωστόσο, για να προσδιοριστεί το φαινόμενο ανόπτησης, οι σκόνες αφαιρέθηκαν από την ταινία SUS304 το συντομότερο δυνατό (περίπου 60 δευτερόλεπτα). Πραγματοποιήθηκε μια άλλη σειρά πειραμάτων στα οποία η σκόνη αφαιρέθηκε από το υπόστρωμα περίπου 180 δευτερόλεπτα μετά την εφαρμογή.
Τα Σχήματα 13α,β δείχνουν εικόνες σκοτεινού πεδίου (DFI) με Μικροσκοπία Σάρωσης Ηλεκτρονικής Διέλευσης (STEM) δύο υλικών με ψεκασμό που εναποτέθηκαν σε υποστρώματα SUS 304 για 60 s και 180 s, αντίστοιχα. Η εικόνα σκόνης που εναποτέθηκε για 60 δευτερόλεπτα στερείται μορφολογικών λεπτομερειών, δείχνοντας έλλειψη χαρακτηριστικών (Εικ. 13α). Αυτό επιβεβαιώθηκε επίσης με XRD, η οποία έδειξε ότι η συνολική δομή αυτών των σκονών ήταν άμορφη, όπως υποδεικνύεται από τις ευρείες κορυφές πρωτογενούς και δευτερογενούς περίθλασης που φαίνονται στο Σχήμα 14α. Αυτό υποδεικνύει την απουσία μετασταθερών/μεσοφασικών ιζημάτων, στα οποία η σκόνη διατηρεί την αρχική της άμορφη δομή. Αντίθετα, η σκόνη που εναποτέθηκε στην ίδια θερμοκρασία (550°C) αλλά αφέθηκε στο υπόστρωμα για 180 s έδειξε την εναπόθεση νανοκόκκων, όπως φαίνεται από τα βέλη στο Σχήμα 13β.