Eskerrik asko Nature.com bisitatzeagatik. Erabiltzen ari zaren arakatzailearen bertsioak CSS laguntza mugatua du. Esperientzia onena lortzeko, arakatzaile eguneratua erabiltzea gomendatzen dizugu (edo Internet Explorer-en bateragarritasun modua desgaitzea). Bitartean, laguntza jarraitua bermatzeko, gunea estilo eta JavaScript gabe errendatuko dugu.
Biofilmak infekzio kronikoen garapenean osagai garrantzitsua dira, batez ere gailu medikoei dagokienez. Arazo honek erronka handia dakar medikuntza komunitatearentzat, antibiotiko estandarrek biofilmak oso neurri mugatuan baino ezin baitituzte suntsitu. Biofilmen eraketa saihesteak hainbat estaldura-metodo eta material berrien garapena ekarri du. Teknika hauek gainazalak estaltzea dute helburu, biofilmen eraketa eragozteko moduan. Beirazko metal aleazioak, batez ere kobrezko eta titaniozko metalak dituztenak, estaldura antimikrobiano ideal bihurtu dira. Aldi berean, ihinztadura hotzeko teknologiaren erabilera handitu egin da, tenperaturarekiko sentikorrak diren materialak prozesatzeko metodo egokia baita. Ikerketa honen helburuetako bat Cu-Zr-Ni ternarioz osatutako beira metaliko antibakterianozko film berri bat garatzea izan zen, aleazio mekanikoko teknikak erabiliz. Azken produktua osatzen duen hauts esferikoa altzairu herdoilgaitzezko gainazalak tenperatura baxuetan hotzean ihinztatzeko lehengai gisa erabiltzen da. Metalezko beiraz estalitako substratuek biofilmen eraketa nabarmen murriztu ahal izan zuten gutxienez log 1ean altzairu herdoilgaitzarekin alderatuta.
Gizateriaren historian zehar, edozein gizartek gai izan da material berriak garatu eta sustatzeko bere behar espezifikoak asetzeko, eta horrek produktibitatea handitu eta ekonomia globalizatu batean sailkapena lortu du1. Beti egotzi izan zaio gizakiaren gaitasunari materialak eta fabrikazio-ekipoak diseinatzeko, baita materialak fabrikatzeko eta karakterizatzeko diseinuak ere, osasuna, hezkuntza, industria, ekonomia, kultura eta beste arlo batzuk lortzeko, herrialde edo eskualde batetik bestera. Aurrerapena neurtzen da herrialdea edo eskualdea edozein dela ere2. 60 urtez, materialen zientzialariek denbora asko eskaini diote zeregin nagusi bati: material berri eta aurreratuen bilaketari. Azken ikerketek dauden materialen kalitatea eta errendimendua hobetzean jarri dute arreta, baita material mota guztiz berriak sintetizatzean eta asmatzean ere.
Aleazio-elementuak gehitzeak, materialaren mikroegituraren aldaketak eta tratamendu termiko, mekaniko edo termomekanikoen metodoen aplikazioak hainbat materialen propietate mekaniko, kimiko eta fisikoen hobekuntza nabarmena ekarri du. Horrez gain, orain arte ezezagunak ziren konposatuak arrakastaz sintetizatu dira. Ahalegin iraunkor hauek Material Aurreratuak2 izeneko material berritzaileen familia berri bat sortu dute. Nanokristalak, nanopartikulak, nanotuboak, puntu kuantikoak, zero dimentsioko beira metaliko amorfoak eta entropia handiko aleazioak joan den mendearen erdialdetik munduan agertu diren material aurreratuen adibide batzuk besterik ez dira. Propietate hobetuak dituzten aleazio berrien fabrikazioan eta garapenean, bai azken produktuan bai ekoizpenaren tarteko etapetan, desorekaren arazoa gehitzen da askotan. Orekatik desbideratze nabarmenak ahalbidetzen dituzten fabrikazio-teknika berrien sarreraren ondorioz, beira metaliko izeneko aleazio metaegonkorren klase berri bat aurkitu da.
1960an Caltech-en egindako lanak irauli egin zuen metal aleazioen kontzeptua, % Si Au-25 beirazko aleazioak sintetizatu zituenean, likidoak ia milioi bat gradu segundoko abiaduran solidotuz. 4 Paul Duves irakaslearen aurkikuntzak ez zuen metal beirak (MS) historiaren hasiera markatu bakarrik, baizik eta metal aleazioei buruzko jendeak duen pentsamenduan paradigma aldaketa ere ekarri zuen. MS aleazioen sintesian egindako lehen ikerketa aitzindaritik, ia beira metaliko guztiak lortu dira metodo hauetako bat erabiliz: (i) urtutako edo lurrunaren solidotze azkarra, (ii) sare atomikoaren nahasmendua, (iii) elementu metaliko puruen arteko egoera solidoko amorfizazio erreakzioak eta (iv) fase metaegonkorren fase solidoko trantsizioak.
MGak kristalekin lotutako ordena atomiko luzerik ez izateagatik bereizten dira, eta hori kristalen ezaugarri nagusia da. Mundu modernoan, aurrerapen handiak egin dira beira metalikoaren arloan. Material berriak dira, propietate interesgarriak dituztenak, ez bakarrik egoera solidoaren fisikan interesgarriak direnak, baita metalurgian, gainazalen kimikan, teknologian, biologian eta beste hainbat arlotan ere. Material mota berri honek metal gogorrengandik desberdinak diren propietateak ditu, eta horrek hautagai interesgarria bihurtzen du hainbat arlotan aplikazio teknologikoetarako. Propietate garrantzitsu batzuk dituzte: (i) harikortasun mekaniko eta etekin-erresistentzia handia, (ii) iragazkortasun magnetiko handia, (iii) koertzibitate baxua, (iv) korrosioarekiko erresistentzia ezohikoa, (v) tenperaturarekiko independentzia. Eroankortasuna 6.7.
Aleazio mekanikoa (AM)1,8 metodo nahiko berria da, 1983an KK Kok irakasleak eta bere lankideek aurkeztu zuten lehen aldiz. Ni60Nb40 hauts amorfoak ekoiztu zituzten elementu puruen nahasketa bat giro-tenperaturan, giro-tenperaturatik oso gertu, ehoz. Normalean, AM erreakzioa erreaktibo-hautsen difusio-loturaren artean egiten da erreaktore batean, normalean altzairu herdoilgaitzez egina, bola-errota batean. 10 (1a, b irudiak). Ordutik, mekanikoki eragindako egoera solidoko erreakzio-metodo hau erabili da beira-aleazio amorfo/metaliko hauts berriak prestatzeko, energia baxuko (1c irudia) eta handiko bola-errotak eta haga-errotak erabiliz11,12,13,14,15,16. Bereziki, metodo hau erabili da Cu-Ta17 bezalako sistema nahastezinak prestatzeko, baita urtze-puntu altuko aleazioak ere, hala nola Al-trantsizio-metala (TM, Zr, Hf, Nb eta Ta)18,19 eta Fe-W20 sistemak, ohiko egosketa-metodoekin lortu ezin direnak. Gainera, MA nanoteknologiako tresnarik indartsuenetakotzat hartzen da metal oxidoen, karburoen, nitruroen, hidruroen, karbono nanotuboen eta nanodiamanteen nanokristalino eta nanokonposite hauts partikulen ekoizpen industrialerako, baita goitik beherako ikuspegia erabiliz egonkortze zabala lortzeko ere. 1 eta metaegonkorrak diren etapak.
Ikerketa honetan Cu50(Zr50-xNix)/SUS 304 beira metalikozko estaldura prestatzeko erabilitako fabrikazio-metodoa erakusten duen eskema. (a) MC aleazio-hautsen prestaketa Ni x (x; 10, 20, 30 eta 40 at.%) kontzentrazio desberdinekin, energia baxuko bola-fresatze metodoa erabiliz. (a) Hasierako materiala tresna-zilindro batean kargatzen da, tresna-altzairuzko bolekin batera, eta (b) He atmosferaz betetako eskularru-kutxa batean zigilatzen da. (c) Artezketa-ontziaren eredu gardena, ehotzean bolaren mugimendua erakusten duena. 50 ordu igaro ondoren lortutako azken hauts-produktua SUS 304 substratua hotzean ihinztatzeko estaltzeko erabili zen (d).
Materialen gainazalei (substratuei) dagokienez, gainazalen ingeniaritzak gainazalen (substratuen) diseinua eta aldaketa dakar, jatorrizko materialak ez dituen zenbait propietate fisiko, kimiko eta tekniko emateko. Gainazalen tratamenduaren bidez eraginkortasunez hobetu daitezkeen propietate batzuk hauek dira: urradura, oxidazio eta korrosioarekiko erresistentzia, marruskadura-koefizientea, bioinertzia, propietate elektrikoak eta isolamendu termikoa, besteak beste. Gainazalen kalitatea metodo metalurgiko, mekaniko edo kimikoen bidez hobetu daiteke. Prozesu ezagun gisa, estaldura, besterik gabe, beste material batez egindako objektu baten (substratu) gainazalean artifizialki aplikatzen den material-geruza bat edo gehiago bezala definitzen da. Horrela, estaldurak neurri batean erabiltzen dira nahi diren propietate tekniko edo apaingarriak lortzeko, baita materialak ingurumenarekin espero diren interakzio kimiko eta fisikoetatik babesteko ere23.
Hainbat metodo eta teknika erabil daitezke mikrometro gutxi batzuetatik (10-20 mikrometro azpitik) 30 mikrometro baino gehiago edo baita milimetro batzuetako lodieraraino ere babes-geruza egokiak aplikatzeko. Oro har, estaldura-prozesuak bi kategoriatan bana daitezke: (i) estaldura-metodo hezeak, besteak beste, galvanizazioa, galvanizazioa eta galbanizazio beroa, eta (ii) estaldura-metodo lehorrak, besteak beste, soldadura, gainazal gogorra, lurrun-deposizio fisikoa (PVD), lurrun-deposizio kimikoa (CVD), ihinztadura termikoko teknikak eta, berrikiago, ihinztadura hotzeko teknikak 24 (1d irudia).
Biofilmak gainazalei modu itzulezinean lotuta dauden eta autoekoiztutako polimero estrazelularrez (EPS) inguratuta dauden mikrobio-komunitate gisa definitzen dira. Gainazalki heldua den biofilm baten sorrerak galera handiak ekar ditzake industria askotan, besteak beste, elikagaien prozesamenduan, ur-sistemetan eta osasungintzan. Gizakietan, biofilmen sorrerarekin batera, infekzio mikrobianoen kasuen % 80 baino gehiago (Enterobacteriaceae eta Staphylococci barne) zailak dira tratatzen. Gainera, jakinarazi da biofilm helduak zelula bakteriano planktonikoekin alderatuta 1000 aldiz erresistenteagoak direla antibiotikoen tratamenduarekiko, eta hori erronka terapeutiko nagusitzat hartzen da. Historikoki, konposatu organiko arruntetatik eratorritako gainazaleko estaldura-material antimikrobianoak erabili izan dira. Material horiek askotan gizakientzat kaltegarriak izan daitezkeen osagai toxikoak izan arren,25,26 horrek bakterioen transmisioa eta materialen degradazioa saihesteko balio dezake.
Biofilmen eraketaren ondorioz bakterioen aurkako erresistentzia zabalak segurtasunez aplika daitekeen mintz antimikrobiano batez estalitako gainazal eraginkor bat garatzeko beharra ekarri du27. Bakterio-zelulek ezin diote lotu eta itsaspenaren ondorioz biofilmak sortu itsaspenaren ondorioz itsaspenaren ondorioz itsaspenaren ondorioz biofilmak sortu ezin dituzten gainazal anti-itsasgarri fisiko edo kimiko bat garatzea da prozesu honetako lehen hurbilketa27. Bigarren teknologiak behar diren lekuan, kantitate oso kontzentratu eta egokituetan, produktu kimiko antimikrobianoak ematen dituzten estaldurak garatzea da. Horretarako, estaldura-material bereziak garatu dira, hala nola grafenoa/germanioa28, diamante beltza29 eta ZnO30-dopatutako diamante-itxurako karbono-estaldurak, bakterioekiko erresistenteak direnak, biofilmen eraketaren ondoriozko toxikotasunaren eta erresistentziaren garapena maximizatzen duen teknologia bat. Horrez gain, gero eta ezagunagoak dira bakterioen kutsaduraren aurkako epe luzerako babesa ematen duten produktu kimiko germizidak dituzten estaldurak. Hiru prozedura horiek gai diren arren estalitako gainazaletan jarduera antimikrobianoa eragiteko, bakoitzak bere mugak ditu, aplikazio-estrategia bat garatzerakoan kontuan hartu beharrekoak.
Gaur egun merkatuan dauden produktuek oztopoak dituzte osagai biologikoki aktiboen babes-estaldurak aztertu eta probatzeko denbora faltagatik. Enpresek diote beren produktuek erabiltzaileei nahi diren alderdi funtzionalak emango dizkietela, baina hori oztopo bihurtu da gaur egun merkatuan dauden produktuen arrakastarako. Zilarretik eratorritako konposatuak kontsumitzaileentzat eskuragarri dauden antimikrobiano gehienetan erabiltzen dira. Produktu hauek erabiltzaileak mikroorganismoekiko esposizio kaltegarritik babesteko diseinatuta daude. Atzeratutako efektu antimikrobianoak eta zilar konposatuen toxikotasunak presioa areagotzen dute ikertzaileengan alternatiba gutxiago kaltegarri bat garatzeko36,37. Barrutik zein kanpotik funtzionatzen duen estaldura antimikrobiano global bat sortzea erronka bat izaten jarraitzen du. Horrek osasun eta segurtasun arriskuak ditu. Gizakientzat kaltegarri gutxiago den agente antimikrobiano bat aurkitzea eta iraupen luzeagoa duten estaldura-substratuetan nola sartu asmatzea oso helburu bilatua da38. Azken antimikrobiano eta antibiofilm materialak bakterioak distantzia laburrean hiltzeko diseinatuta daude, kontaktu zuzenaren bidez edo agente aktiboa askatu ondoren. Bakterioen hasierako atxikimendua inhibituz (gainazalean proteina geruza bat eratzea eragotziz barne) edo zelula-horman interferentziak eginez bakterioak hilez egin dezakete hori.
Funtsean, gainazaleko estaldura osagai baten gainazalean beste geruza bat aplikatzeko prozesua da, gainazaleko ezaugarriak hobetzeko. Gainazaleko estaldura baten helburua osagai baten gainazal hurbileko eskualdearen mikroegitura eta/edo osaera aldatzea da39. Gainazaleko estaldura-metodoak metodo desberdinetan bana daitezke, eta 2a irudian laburbiltzen dira. Estaldurak kategoria termiko, kimiko, fisiko eta elektrokimikoetan bana daitezke, estaldura sortzeko erabilitako metodoaren arabera.
(a) Gainazalen fabrikazio-teknika nagusiak erakusten dituen txertatu bat, eta (b) ihinztadura hotzeko metodoaren abantaila eta desabantaila hautatuak.
Ihinztadura hotzaren teknologiak gauza asko ditu komunean ihinztadura termiko tradizionalen teknikekin. Hala ere, badira ihinztadura hotzaren prozesua eta ihinztadura hotzeko materialak bereziki berezi egiten dituzten oinarrizko propietate gako batzuk ere. Ihinztadura hotzaren teknologia oraindik hastapenetan dago, baina etorkizun handia du. Kasu batzuetan, ihinztadura hotzaren propietate bereziek onura handiak eskaintzen dituzte, ihinztadura termiko konbentzionalen mugak gaindituz. Ihinztadura termiko tradizionalaren teknologiaren muga nabarmenak gainditzen ditu, non hautsa urtu egin behar den substratu batean metatzeko. Jakina, estaldura-prozesu tradizional hau ez da egokia tenperaturarekiko oso sentikorrak diren materialetarako, hala nola nanokristaletarako, nanopartikulaetarako, beira amorfo eta metalikoetarako40, 41, 42. Gainera, ihinztadura termiko bidezko estaldura-materialek beti dute porositate eta oxido maila altua. Ihinztadura hotzaren teknologiak abantaila nabarmen asko ditu ihinztadura termikorako teknologiarekin alderatuta, hala nola (i) substratuan bero-sarrera minimoa, (ii) substratuaren estaldura aukeratzeko malgutasuna, (iii) fase-eraldaketarik eta ale-hazkunderik ez, (iv) itsasgarri-indarra handia1.39 (2b irudia). Gainera, ihinztadura hotzeko estaldura-materialek korrosioarekiko erresistentzia handia, erresistentzia eta gogortasun handia, eroankortasun elektriko handia eta dentsitate handia41 dute. Ihinztadura hotzeko prozesuaren abantailak izan arren, metodo honek oraindik ere baditu zenbait eragozpen, 2b irudian ikusten den bezala. Al2O3, TiO2, ZrO2, WC, etab. bezalako zeramikazko hauts puruak estaltzean, ezin da ihinztadura hotzeko metodoa erabili. Bestalde, zeramika/metal konposite hautsak erabil daitezke estaldurarako lehengai gisa. Gauza bera gertatzen da beste ihinztadura termiko metodoekin. Gainazal zailak eta hodien barrualdeak oraindik zailak dira ihinztatzeko.
Lan hau estaldurarako hasierako material gisa beira-hauts metalikoak erabiltzeari zuzenduta dagoela kontuan hartuta, argi dago ohiko ihinztadura termikoa ezin dela helburu horretarako erabili. Hau beira-hauts metalikoak tenperatura altuetan kristalizatzen direlako da1.
Medikuntza eta elikagaien industrietan erabiltzen diren tresna gehienak altzairu herdoilgaitz austenitikozko aleazioekin (SUS316 eta SUS304) egiten dira, % 12 eta % 20 arteko kromo edukiarekin, tresna kirurgikoak ekoizteko. Oro har, onartzen da kromo metala aleazio-elementu gisa erabiltzeak altzairu-aleazio estandarren korrosioarekiko erresistentzia nabarmen hobetu dezakeela. Altzairu herdoilgaitzezko aleazioek, korrosioarekiko erresistentzia handia izan arren, ez dute propietate antimikrobiano esanguratsurik38,39. Hori kontrastatzen da haien korrosioarekiko erresistentzia handiarekin. Horren ondoren, infekzioaren eta hanturaren garapena aurreikus daiteke, eta horiek batez ere altzairu herdoilgaitzezko biomaterialen gainazalean bakterioen atxikimenduaren eta kolonizazioaren ondorioz gertatzen dira. Zailtasun handiak sor daitezke bakterioen atxikimenduarekin eta biofilmen eraketa-bideekin lotutako zailtasun handiengatik, eta horrek osasun txarra ekar dezake, eta horrek ondorio asko izan ditzake, zuzenean edo zeharka gizakien osasunean eragin dezaketenak.
Ikerketa hau Zientziaren Aurrerapenerako Kuwaiteko Fundazioak (KFAS) finantzatutako proiektu baten lehen fasea da, 2010-550401 kontratu zenbakiarekin, MA teknologia erabiliz Cu-Zr-Ni beirazko hirutar hauts metalikoak ekoizteko bideragarritasuna ikertzeko (taula). 1) SUS304 gainazalaren babes-film/estaldura antibakterianoa ekoizteko. Proiektuaren bigarren faseak, 2023ko urtarrilean hasiko denak, sistemaren korrosio galbanikoaren ezaugarriak eta propietate mekanikoak aztertuko ditu zehatz-mehatz. Bakterio mota desberdinen proba mikrobiologiko zehatzak egingo dira.
Artikulu honek Zr aleazio edukiak beira eratzeko gaitasunean (GFA) duen eragina aztertzen du, ezaugarri morfologiko eta estrukturaletan oinarrituta. Horrez gain, hauts estalitako beira metaliko/SUS304 konpositearen propietate antibakterianoak ere eztabaidatu ziren. Horrez gain, etengabeko lana egin da beira metalikozko sistemen superhoztutako likido eskualdean ihinztadura hotzean zehar beira metaliko hautsen egitura-eraldaketaren aukera ikertzeko. Cu50Zr30Ni20 eta Cu50Zr20Ni30 beira metaliko aleazioak erabili ziren adibide adierazgarri gisa ikerketa honetan.
Atal honek energia baxuko bola-fresaketaren bidez Cu, Zr eta Ni elementuen hautsen aldaketa morfologikoak aurkezten ditu. Cu50Zr20Ni30 eta Cu50Zr40Ni10-z osatutako bi sistema desberdin erabiliko dira adibide ilustratibo gisa. MA prozesua hiru etapatan bana daiteke, ehotze-fasean lortutako hautsaren karakterizazio metalografikoak erakusten duen bezala (3. irudia).
Bola-ehoketaren hainbat etapatan lortutako aleazio mekanikoen (MA) hautsen ezaugarri metalografikoak. 3, 12 eta 50 orduz energia baxuko bola-ehoketaren ondoren lortutako MA eta Cu50Zr40Ni10 hautsen eremu-igorpen bidezko eskaneatze-mikroskopia elektronikoaren (FE-SEM) irudiak (a), (c) eta (e) ataletan ageri dira Cu50Zr20Ni30 sistemarentzat, MA berean hartuta. Denbora igaro ondoren hartutako Cu50Zr40Ni10 sistemaren irudiak (b), (d) eta (f) ataletan ageri dira.
Bola-errota prozesuan, metalezko hautsari transferi dakiokeen energia zinetiko eraginkorra parametroen konbinazio batek eragiten du, 1a irudian erakusten den bezala. Honen barruan sartzen dira bolen eta hautsen arteko talkak, ehotzeko medioen artean itsatsita dagoen hautsaren zizaila-konpresioa, erortzen diren bolen inpaktuak, bola-errota baten gorputz mugikorren artean hautsaren arrastatzeak eragindako zizaila eta higadura, eta erortzen diren boletatik igarotzen den talka-uhin bat, kargatutako kulturan zehar hedatzen dena (1a irudia). Элементарные порошки Cu, Zr и Ni были сильно деформированы из-за холодной сварки на ратной сварки на ратанѐй сильно деформированы привело к образованию крупных частиц порошка (> 1 мм в диаметре). Cu, Zr eta Ni hauts elementalak asko deformatu ziren MAren hasierako fase batean (3 h) egindako soldadura hotzaren ondorioz, eta horrek hauts partikula handiak (> 1 mm-ko diametroa) eratzea eragin zuen.Konposite partikula handi hauek aleazio elementuen (Cu, Zr, Ni) geruza lodien eraketagatik bereizten dira, 3a eta 3b irudietan ikusten den bezala. MA denbora 12 ordura (tarteko etapa) handitzeak bola-errotaren energia zinetikoa handitzea eragin zuen, eta horrek konposite hautsa hauts txikiagoetan deskonposatzea eragin zuen (200 μm baino gutxiago), 3c eta 3d irudian ikusten den bezala. Etapa honetan, aplikatutako zizaila-indarrak metal-gainazal berri baten eraketa dakar Cu, Zr eta Ni geruza meheekin, 3c eta 3d irudian ikusten den bezala. Maluten interfazean geruzak ehotzearen ondorioz, fase solidoko erreakzioak gertatzen dira fase berriak eratuz.
MA prozesuaren unerik gorenean (50 ordu igaro ondoren), maluta metalografia ia ez zen nabaritzen (3e eta f irudiak), eta ispilu metalografia ikusi zen hautsaren gainazal leunduan. Horrek esan nahi du MA prozesua amaitu zela eta erreakzio fase bakarra sortu zela. 3e (I, II, III), f, v, vi) irudietan adierazitako eskualdeen elementuen konposizioa eremu-igorpeneko eskaneatze-mikroskopia elektronikoa (FE-SEM) erabiliz zehaztu zen, energia-dispertsioko X izpien espektroskopiarekin (EDS) konbinatuta. (IV).
2. taulan, aleazio-elementuen kontzentrazioak 3e eta f irudietan hautatutako eskualde bakoitzaren masa osoaren ehuneko gisa erakusten dira. Emaitza hauek 1. taulan emandako Cu50Zr20Ni30 eta Cu50Zr40Ni10-ren hasierako konposizio nominalekin alderatuta, ikusten da bi azken produktu hauen konposizioak oso antzekoak direla konposizio nominaletatik. Gainera, 3e eta f irudietan zerrendatutako eskualdeetako osagaien balio erlatiboek ez dute iradokitzen lagin bakoitzaren konposizioan hondatze edo aldaketa nabarmenik eskualde batetik bestera. Hori frogatzen du eskualde batetik bestera konposizioan ez dagoela aldaketarik. Horrek aleazio-hauts uniformeen ekoizpena adierazten du, 2. taulan erakusten den bezala.
Cu50(Zr50-xNix) azken produktu hautsaren FE-SEM mikrografiak 50 MA denboraren ondoren lortu ziren, 4a-d irudietan erakusten den bezala, non x % 10, 20, 30 eta 40 at. den, hurrenez hurren. Ehotze-urrats honen ondoren, hautsa agregatzen da van der Waals efektuaren ondorioz, eta horrek 73 eta 126 nm arteko diametroa duten partikula ultrafinez osatutako agregatu handiak eratzea eragiten du, 4. irudian erakusten den bezala.
50 orduko MA ondoren lortutako Cu50(Zr50-xNix) hautsen ezaugarri morfologikoak. Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30, Cu50Zr10Ni40 sistemetarako, 50 MA ondoren lortutako hautsen FE-SEM irudiak (a), (b), (c) eta (d) ataletan erakusten dira, hurrenez hurren.
Hautsak ihinztadura hotzeko elikagailuan sartu aurretik, lehenik etanol analitikoan sonikatu ziren 15 minutuz eta ondoren 150 °C-tan lehortu ziren 2 orduz. Urrats hau eman behar da aglomerazioari arrakastaz aurre egiteko, askotan estaldura-prozesuan arazo larri asko sortzen baititu. MA prozesua amaitu ondoren, ikerketa gehiago egin ziren aleazio-hautsen homogeneotasuna ikertzeko. 5a-d irudietan, Cu50Zr30Ni20 aleazioaren Cu, Zr eta Ni aleazio-elementuen FE-SEM mikrografiak eta dagokien EDS irudiak ageri dira, 50 ordu M denboraren ondoren hartuta, hurrenez hurren. Kontuan izan behar da urrats honen ondoren lortutako aleazio-hautsak homogeneoak direla, ez baitute nanometro azpiko mailatik haragoko konposizio-gorabeherarik erakusten, 5. irudian ikusten den bezala.
FE-SEM/Energia Dispertsiboko X izpien Espektroskopia (EDS) bidez 50 MA igaro ondoren lortutako MG Cu50Zr30Ni20 hautsaren elementuen morfologia eta tokiko banaketa. (a) (b) Cu-Kα, (c) Zr-Lα eta (d) Ni-Kα-ren SEM eta X izpien EDS irudiak.
50 orduko MA ondoren lortutako Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20, Cu50Zr20Ni30 eta Cu50Zr20Ni30 hautsen aleazio mekanikoen X izpien difrakzio-ereduak 6a-d irudietan ageri dira, hurrenez hurren. Ehotze-etapa honen ondoren, Zr kontzentrazio desberdinak zituzten lagin guztiek 6. irudian erakusten diren halo difusio-eredu bereizgarriekin egitura amorfoak zituzten.
Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) eta Cu50Zr20Ni30 (d) hautsen X izpien difrakzio-ereduak 50 orduz MA egin ondoren. Halo-difusio-eredua ikusi zen lagin guztietan, salbuespenik gabe, fase amorfo baten eraketa adieraziz.
Eremu-igorpeneko transmisio-elektroi mikroskopia (FE-HRTEM) bereizmen handikoa erabili zen bola-errotatzetik sortutako hautsen egitura-aldaketak behatzeko eta MA denbora desberdinetan. Cu50Zr30Ni20 eta Cu50Zr40Ni10 hautsak ehotzeko hasierako (6 h) eta tarteko (18 h) etapetan FE-HRTEM metodoaren bidez lortutako hautsen irudiak 7a irudietan ageri dira, hurrenez hurren. MA 6 orduren ondoren lortutako hautsaren eremu argiko irudiaren (BFI) arabera, hautsa ale handiz osatuta dago, fcc-Cu, hcp-Zr eta fcc-Ni elementuen mugak argi definituta dituztela, eta ez dago erreakzio-fase baten eraketaren zantzurik, 7a irudian erakusten den bezala. Horrez gain, erdiko eskualdetik (a) hartutako hautatutako eremu korrelazionatutako difrakzio-eredu batek (SADP) difrakzio-eredu zorrotz bat agerian utzi zuen (7b irudia), kristalito handien presentzia eta fase erreaktibo baten gabezia adieraziz.
MA hautsaren ezaugarri estruktural lokalak hasierako (6 h) eta tarteko (18 h) etaparen ondoren lortuak. (a) Bereizmen handiko eremu-igorpen transmisio-mikroskopia elektronikoa (FE-HRTEM) eta (b) Cu50Zr30Ni20 hautsaren dagokion hautatutako eremuaren difraktograma (SADP) MA 6 orduz tratatu ondoren. 18 orduko MA ondoren lortutako Cu50Zr40Ni10-ren FE-HRTEM irudia (c)n ageri da.
7c irudian erakusten den bezala, MAren iraupena 18 ordura handitzeak sare-akats larriak eragin zituen deformazio plastikoarekin batera. MA prozesuaren tarteko etapa honetan, hainbat akats agertzen dira hautsean, besteak beste, pilatze-akatsak, sare-akatsak eta puntu-akatsak (7. irudia). Akats hauek ale handiak ale-mugen zehar zatikatzea eragiten dute 20 nm baino txikiagoak diren azpialeetan (7c irudia).
36 orduko MA-z ehotutako Cu50Z30Ni20 hautsaren egitura lokala matrize mehe eta amorfo batean txertatutako nanoale ultrafinen eraketak ezaugarritzen du, 8a irudian erakusten den bezala. EMFren analisi lokal batek erakutsi zuen 8a irudietan erakusten diren nanoklusterrak tratatu gabeko Cu, Zr eta Ni hauts aleazioekin lotuta daudela. Matrizearen Cu edukia ~32 at.% (eremu pobrea) ~74 at.% (eremu aberatsa) bitartekoa zen, eta horrek produktu heterogeneoen eraketa adierazten du. Horrez gain, urrats honetan ehotu ondoren lortutako hautsen SADP-ek lehen eta bigarren mailako halo-difusio fase amorfo eraztunak erakusten dituzte, tratatu gabeko aleazio elementu hauekin lotutako punta zorrotzekin gainjarrita, 8b irudian erakusten den bezala.
Beyond 36 h-Cu50Zr30Ni20 hautsaren nanoeskalako egitura-ezaugarri lokalak. (a) Eremu argiaren irudia (BFI) eta dagokion (b) Cu50Zr30Ni20 hautsaren SADP, 36 orduko MA-z eho ondoren lortua.
MA prozesuaren amaieran (50 h), Cu50(Zr50-xNix), X, % 10, % 20, % 30 eta % 40ko hautsek, salbuespenik gabe, fase amorfoaren morfologia labirintikoa dute, 3. irudian erakusten den bezala. Ez da puntu-difrakziorik ez eraztun-eredu zorrotzik detektatu konposizio bakoitzaren SADSetan. Horrek tratatu gabeko metal kristalinoaren gabezia adierazten du, baizik eta aleazio amorfoaren hauts baten eraketa. Halo difusio-ereduak erakusten dituzten SADP korrelazionatu hauek ere erabili ziren azken produktuaren materialean fase amorfoen garapenaren froga gisa.
Cu50 MS sistemaren (Zr50-xNix) azken produktuaren egitura lokala. FE-HRTEM eta (a) Cu50Zr40Ni10, (b) Cu50Zr30Ni20, (c) Cu50Zr20Ni30 eta (d) Cu50Zr10Ni40-ren nanoizpien difrakzio-eredu korrelatuak (NBDP). 50 orduko MAren ondoren lortutakoak.
Eskaneatze-kalorimetria diferentziala erabiliz, beira-trantsizio tenperaturaren (Tg), superhoztutako likido eskualdearen (ΔTx) eta kristalizazio tenperaturaren (Tx) egonkortasun termikoa aztertu zen Cu50(Zr50-xNix) sistema amorfoan Ni (x) edukiaren arabera. (DSC) propietateak He gas-fluxuan. 50 orduz MA egin ondoren lortutako Cu50Zr40Ni10, Cu50Zr30Ni20 eta Cu50Zr10Ni40 aleazio amorfoen hautsen DSC kurbak 10a, b, e irudietan ageri dira, hurrenez hurren. Cu50Zr20Ni30 amorfoaren DSC kurba bereizita ageri da X. mendeko irudian. Bitartean, DSC-n ~700 °C-ra berotutako Cu50Zr30Ni20 lagin bat 10g irudian ageri da.
50 orduz MA egin ondoren lortutako Cu50(Zr50-xNix) MG hautsen egonkortasun termikoa beira-trantsizio tenperaturaren (Tg), kristalizazio tenperaturaren (Tx) eta superhoztutako likido eskualdearen (ΔTx) arabera zehazten da. Cu50Zr40Ni10 (a), Cu50Zr30Ni20 (b), Cu50Zr20Ni30 (c) eta (e) Cu50Zr10Ni40 MG aleazio hautsen eskaneatze kalorimetro diferentzialaren (DSC) termogramak 50 orduz MA egin ondoren. DSC-n ~700 °C-ra berotutako Cu50Zr30Ni20 lagin baten X izpien difrakzio eredua (XRD) (d) ageri da.
10. irudian erakusten den bezala, nikel kontzentrazio desberdinak dituzten konposizio guztien DSC kurbek (x) bi kasu desberdin adierazten dituzte, bata endotermikoa eta bestea exotermikoa. Lehenengo gertaera endotermikoa Tg-ri dagokio, eta bigarrena Tx-ri lotuta dago. Tg eta Tx artean dagoen eremu horizontalari azpihoztutako likido eremua deritzo (ΔTx = Tx – Tg). Emaitzek erakusten dute 526 °C eta 612 °C-tan jarritako Cu50Zr40Ni10 laginaren (10a irudia) Tg eta Tx-k edukia (x) % 20ra mugitzen dutela tenperatura baxuko alderantz, 482 °C eta 563 °C-ra, hurrenez hurren. Ni edukia (x) handitzen den heinean, 10b irudian erakusten den bezala. Ondorioz, ΔTx Cu50Zr40Ni10 86 °C-tik (10a irudia) 81 °C-ra jaisten da Cu50Zr30Ni20-rentzat (10b irudia). MC Cu50Zr40Ni10 aleazioan, Tg, Tx eta ΔTx balioen jaitsiera 447°С, 526°С eta 79°С mailetara ere ikusi zen (10b irudia). Horrek adierazten du Ni edukiaren igoerak MS aleazioaren egonkortasun termikoa gutxitzea dakarrela. Aitzitik, MC Cu50Zr20Ni30 aleazioaren Tg balioa (507 °C) MC Cu50Zr40Ni10 aleazioarena baino txikiagoa da; hala ere, bere Tx-k balio berdina erakusten du (612 °C). Beraz, ΔTx-k balio handiagoa du (87 °C), X. mendeko irudian ikusten den bezala.
Cu50(Zr50-xNix) MC sistemak, Cu50Zr20Ni30 MC aleazioa adibide gisa erabiliz, gailur exotermiko zorrotz baten bidez kristalizatzen da fcc-ZrCu5, ortorronbiko-Zr7Cu10 eta ortorronbiko-ZrNi fase kristalinoetan (10c irudia). Amorfotik kristalinorako fase-trantsizio hau MG laginaren (10d irudia) X izpien difrakzio-analisi bidez baieztatu zen, DSC bidez 700 °C-ra berotu zena.
11. irudian, egungo lanean egindako ihinztadura hotzeko prozesuan ateratako argazkiak ageri dira. Ikerketa honetan, 50 orduz MA ondoren sintetizatutako metal beirazko hauts partikulak (Cu50Zr20Ni30 adibide gisa erabiliz) erabili ziren lehengai antibakteriano gisa, eta altzairu herdoilgaitzezko xafla bat (SUS304) ihinztadura hotzean estali zen. Ihinztadura hotzeko metodoa aukeratu zen ihinztadura termikoaren teknologiaren seriean estaldura egiteko, ihinztadura termikoaren teknologiaren serieko metodorik eraginkorrena delako, non material metaliko metaegonkor beroarekiko sentikorrak diren hauts amorfo eta nanokristalinoetarako erabil daitekeen. Ez dago fase-trantsizioen menpe. Hau da metodo hau aukeratzeko faktore nagusia. Jalkitze hotzeko prozesua abiadura handiko partikulak erabiliz egiten da, partikulen energia zinetikoa deformazio plastiko, deformazio eta bero bihurtzen dutenak substratuarekin edo aurretik metatutako partikulekin talka egitean.
Eremu-argazkiek MG/SUS 304-ren bost prestaketa jarraian 550 °C-tan erabilitako ihinztadura hotzeko prozedura erakusten dute.
Partikulen energia zinetikoa, baita partikula bakoitzaren momentua estaldura eratzean ere, beste energia mota batzuetara bihurtu behar dira, hala nola deformazio plastikoa (partikula primarioak eta matrizearen partikulen arteko elkarrekintzak eta partikulen elkarrekintzak), solidoen korapilo interstizialak, partikulen arteko errotazioa, deformazioa eta berotze mugatzailea 39. Gainera, sartzen den energia zinetiko guztia energia termiko eta deformazio energia bihurtzen ez bada, emaitza talka elastikoa izango da, hau da, partikulak errebotatzen direla inpaktuaren ondoren. Ohartu da partikula/substratu materialari aplikatzen zaion inpaktu-energiaren % 90 bero lokal bihurtzen dela 40. Gainera, inpaktu-tentsioa aplikatzen denean, deformazio plastiko-tasa altuak lortzen dira partikula/substratu kontaktu-eskualdean denbora oso laburrean 41,42.
Deformazio plastikoa normalean energia xahutzeko prozesu gisa hartzen da, edo hobeto esanda, eremu interfazialeko bero-iturri gisa. Hala ere, eremu interfazialeko tenperaturaren igoera ez da nahikoa izaten urtze interfaziala gertatzeko edo atomoen elkarrekiko difusioaren estimulazio esanguratsua gertatzeko. Egileek ezagutzen duten inongo argitalpenek ez dute ikertu hauts beira metaliko hauen propietateek hautsaren atxikimenduan eta finkapenean duten eragina ihinztadura hotzeko teknikak erabiltzean.
MG Cu50Zr20Ni30 aleazio hautsaren BFI 12a irudian ikus daiteke, SUS 304 substratuan metatu zena (11, 12b irudiak). Irudian ikus daitekeen bezala, estalitako hautsek jatorrizko egitura amorfoa mantentzen dute, labirinto egitura delikatua baitute, ezaugarri kristalino edo sare-akatsik gabe. Bestalde, irudiak fase arrotz baten presentzia adierazten du, MGz estalitako hauts matrizean sartutako nanopartikulek frogatzen duten bezala (12a irudia). 12c irudiak I eskualdearekin lotutako nanoizpien difrakzio-eredu indexatua (NBDP) erakusten du (12a irudia). 12c irudian erakusten den bezala, NBDP-k egitura amorfoaren halo-difusio eredu ahula erakusten du eta Zr2Ni fase metaegonkor kubiko handi kristalino bati eta CuO fase tetragonal bati dagozkion puntu zorrotzekin batera agertzen da. CuO-ren eraketa hautsaren oxidazioarekin azal daiteke, aire zabalean SUS 304-ra fluxu supersoniko batean mugitzean ihinztagailu-pistolaren toberatik igarotzean. Bestalde, beirazko hauts metalikoen desbitrifikazioak fase kubiko handiak eratzea eragin zuen 550 °C-tan 30 minutuz ihinztadura hotzean tratatu ondoren.
(a) SUS 304 substratuan (b) metatutako MG hautsaren FE-HRTEM irudia (txertatutako irudia). (a)-n erakusten den ikur biribilaren NBDP indizea (c)-n ageri da.
Zr2Ni nanopartikula kubiko handiak eratzeko mekanismo potentzial hau probatzeko, esperimentu independente bat egin zen. Esperimentu honetan, hautsak 550 °C-tan atomizatzaile batetik ihinztatu ziren SUS 304 substratuaren norabidean; hala ere, erreketa-efektua zehazteko, hautsak ahalik eta azkarren kendu ziren SUS304 zerrendatik (60 segundo inguru). Beste esperimentu-serie bat egin zen, non hautsa substratutik kendu zen aplikatu eta 180 segundo ingurura.
13a eta 13b irudiek SUS 304 substratuetan 60 segundoz eta 180 segundoz, hurrenez hurren, metatutako bi materialen eskaneatze-transmisiozko mikroskopia elektronikoaren (STEM) eremu ilunaren (DFI) irudiak erakusten dituzte. 60 segundoz metatutako hautsaren irudiak xehetasun morfologikoak falta ditu, ezaugarririk gabea erakutsiz (13a irudia). Hau XRD bidez ere baieztatu zen, hauts hauen egitura orokorra amorfoa zela erakutsiz, 14a irudian erakusten diren lehen eta bigarren mailako difrakzio-pikor zabalek adierazten duten bezala. Horrek metaegonkor/mesofaseko prezipitatuen gabezia adierazten du, eta hautsak bere jatorrizko egitura amorfoa mantentzen du. Aldiz, tenperatura berean (550 °C) metatutako baina substratuan 180 segundoz utzitako hautsak nanotamainako aleen metaketa erakutsi zuen, 13b irudiko geziek erakusten duten bezala.