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文 |溪知許a
編輯|溪知許a
前言
近年來，複雜材料的熱物性質在科學和工程領域成為一個主要關注點。熱物性質這個術語用於描述熱力學和傳輸性質。研究流體性質的實驗或理論方法取決於微觀和宏觀分類。
常規的宏觀測量依賴於應力狀態、溫度和密度。熱力學性質由系統的平衡條件定義，包括溫度、熱容、熵、壓力、內能、焓和密度，而傳輸性質包括熱導率、擴散粘度以及具有其不穩定性的波動。
為了對這些系統的過程進行更詳細的解釋，需要適用於非理想等離子體的熱力學、傳輸、光學、傳輸、光和其他特性的數據。在這方面，關於計算機研究方法的各種觀點，包括理論和數值性能，對於非理想等離子體有了很大的改進。
由於某種原因，熱導率也成為熱物性質研究者面臨的一個大問題。微米和納米尺度材料中熱傳導的發展方面已經轉移到了技術問題領域，例如半導體超晶格中的聲子熱傳導，這引起了研究人員的廣泛關注。所以研究粒子的內能、動量和熱傳遞仍然是一個關鍵任務。而熱管理、可持續高性能、可靠性和使用壽命是主要目標。
其中一種策略是基於含塵等離子體開發更有效的新型治療材料。在現代技術中，法規與批准成為一個重要問題。然而在等離子體聚變中也存在類似的興趣，它可能產生與等離子體壁反應中的輻射有關的塵埃。
在許多方面，本章提供了關於二維複雜液體中熱傳輸和熱流策略的更新文獻綜述。熱傳輸係數是通過Salin和Caillol使用的Green Kubo平衡分子動力學模擬計算的，而方差程序估計則是Faussurier和Murillo使用的方法。Donkó和Hartmann採用不均勻非平衡分子動力學和方法，研究了傳輸和熱導率。
最近Shahzad引入了一種均勻的NEMD和均勻擾動的MD方案，用於計算強耦合複雜塵埃等離子體的熱傳輸和行為。特別是在計算傳輸性質方面，提出了數值模型以研究在適當範圍的系統溫度和密度值Γ, κ上的熱行為。複雜流體已被用於許多領域，如發電、半導體工業、化妝品、紙張工業等。
等離子體
眾所周知，在宇宙中99%的物質存在於等離子體狀態，也被稱為物質的第四態。基本上，等離子體是以電離的氣體形式出現，其中原子解離為電子和正離子。
它是物理學中不同領域的一種物質形態，如技術等離子體、地球等離子體和天體物理學中的等離子體。在實驗室中人工產生等離子體，用於許多技術目的，如熒光燈、顯示器、聚變能研究等。
術語「等離子體」最早由美國物理學家歐文·朗繆爾提出，他將等離子體定義為「具有集體行為的帶電粒子的准中性氣體」。
准中性意味着當離子數等於電子數時，氣體變為電中性ni≈≈ne≈n≈n。其中，ni是離子密度，ne是電子密度，n是粒子數密度。
集體行為意味着帶電粒子彼此之間發生庫侖相互作用和電場作用力的碰撞。等離子體在科學和技術領域得到廣泛應用，在我們的日常生活中發揮着非常重要的作用。等離子體在激光、醫療器械消毒、照明、強大的功率束、水凈化等領域得到應用。
1922年美國科學家歐文·朗繆爾首次對等離子體進行了定義。在1930年，一些學者開始研究等離子體物理學，他們受到一些粒子問題的啟發。1940年，漢斯·阿爾芬進一步研究了磁流體動力學波，這些波被稱為阿爾芬波。
此外他指出這些波將被用於天體物理等離子體的研究。在1950年初，磁約束聚變能的研究幾乎同時在蘇聯、英國和美國開始。1958年，磁約束聚變能的研究被認為是熱核能的一個分支。
剛開始這項研究是秘密進行的，但在意識到軍方不喜歡可控聚變研究後，這項研究被上述三個國家公開。由於這個原因，其他國家可以參與基於等離子體物理學的聚變研究。在1960年末，俄羅斯的托卡馬克裝置創造了具有不同等離子體參數的等離子體。
在1970年和1980年，建造了各種先進的托卡馬克裝置，並驗證了托卡馬克的性能。此外，托卡馬克幾乎實現了聚變突破，在1990年開始了對塵埃等離子體物理學的研究。塵埃等離子體被定義為「當帶電粒子被吸收到等離子體中時，形成包含電子、離子、中性粒子和塵埃粒子的四組分等離子體」，塵埃粒子改變了等離子體的特性，這就是所謂的「塵埃等離子體」。
等離子體的類型
等離子體具有複雜的特性和屬性，通過電子和離子的溫度、密度和電離程度可以分為三類。
第一類熱等離子體，當等離子體滿足電子溫度≈離子溫度的條件時，被稱為熱等離子體。熱等離子體具有非常高的溫度，並且由於粒子之間頻繁的相互作用而達到熱平衡。熱等離子體也被稱為熱等離子體，它接近局部熱力學平衡，可以在實驗室的放電管中通過高氣壓產生。熱等離子體可以通過火花、火焰和大氣電弧產生。
第二類冷等離子體，當等離子體滿足電子溫度遠大於離子溫度和氣體分子溫度的條件時，被稱為冷等離子體。其中Te、Ti和Tg分別代表電子、離子和氣體分子的溫度。冷等離子體可以在實驗室中使用正柱光輝放電管創建。由於電子能量遠高於氣體分子，因此忽略了氣體分子的運動。此外由於氣體壓力較低，氣體分子與電子之間的碰撞也較少，因此不存在非熱平衡。在這種狀態下，磁場非常弱，可以忽略，只有電場對帶電粒子起作用。冷等離子體的應用包括自潔過濾器、食品加工和牙齒消毒。
第三類超冷等離子體，當電子和離子的溫度降低到約100mK和10μK，密度為2×109 cm−3時，被稱為超冷等離子體。當德拜屏蔽長度小於樣品尺寸時，超冷等離子體的行為表現出來，這是因為正離子云困住了電子。超冷等離子體被認為是強耦合等離子體，因為相鄰粒子之間的庫侖相互作用能量大於帶電粒子的熱能。可以通過脈衝激光和光電離冷卻的原子在實驗室中創建這種類型的等離子體。
塵埃等離子體的分類
塵埃等離子體的分類取決於一個重要參數，庫侖耦合參數Γ。庫侖耦合參數被解釋為，假設有兩個塵埃粒子，具有相同的電荷，彼此之間的距離為'a'。塵埃粒子的庫侖勢能為ɛc = q2d/(4πɛ0a) exp(-a/λd)，其中qd是塵埃粒子的電荷，a是塵埃粒子之間的距離，λd是塵埃粒子的德拜屏蔽長度。
塵埃粒子的熱能為KBTd。庫侖耦合參數被定義為「庫侖勢能與熱能的比值」。根據庫侖耦合參數，塵埃等離子體被分為理想等離子體（弱耦合塵埃等離子體）和非理想等離子體（強耦合塵埃等離子體），表示為Γc。
理想等離子體由稱為庫侖耦合的等離子體參數來定義，表示為Γ = PE/KE。當等離子體的動能遠大於在低溫和低密度下的勢能時，被稱為理想等離子體。理想等離子體也被稱為弱耦合塵埃等離子體，用Γ > 1來表示。由於粒子之間的碰撞較少，密度較低，理想等離子體沒有明確的結構。
另外弱耦合等離子體由稱為庫侖耦合參數Γ的等離子體參數來定義。當耦合參數的值可以忽略不計時，等離子體被稱為弱耦合等離子體。弱耦合等離子體也被稱為熱等離子體。當電子的溫度等於離子的溫度時，被稱為熱等離子體或理想等離子體。熱等離子體通過高氣壓在放電管中產生。熱等離子體的例子包括火焰、火花和大氣電弧。弱耦合塵埃等離子體由於密度較低、溫度較高以及相互作用粒子之間的相互作用較少，因此沒有特定的形狀。
而當塵埃等離子體滿足Γ ≥ 1的條件時，塵埃等離子體被稱為強耦合塵埃等離子體或非理想等離子體。由於塵埃粒子之間的小距離、低溫和巨大電荷，一些實驗室的等離子體系統中的塵埃粒子屬於強耦合狀態。
另外如果帶電塵埃粒子的平均熱能遠小於平均勢能，塵埃等離子體將被視為非理想或強耦合狀態。非理想等離子體的例子包括激光產生的等離子體、褐矮星、爆炸線圈、高功率電保險絲等。
此外使用Yukawa勢或庫侖耦合勢Γ來定義強耦合等離子體。勢能與動能的比值稱為庫侖耦合勢。當動能低於勢能時，即Γ > 1時，意味着強耦合塵埃等離子體也被稱為冷等離子體，因為粒子間的相互動能降低而形成晶體結構的塵埃等離子體。
實驗室中許多實驗證實了塵埃等離子體中粒子的晶體形態。冷等離子體的應用包括自凈化過濾器、食品加工和牙齒消毒。
在強耦合等離子體中，帶電粒子受到電場的影響，而磁場的影響可以忽略不計。這種類型的冷等離子體具有高度耦合的特點，因為相鄰粒子之間的庫侖相互作用能量超過帶電粒子的熱能。
複雜等離子體及其應用
塵埃等離子體通常是由電子、離子以及額外的帶電顆粒組成的等離子體。這些帶電顆粒有時被稱為塵埃顆粒，其尺寸大約為微米級別。
當帶電顆粒與等離子體包括電子、離子、中性粒子和塵埃顆粒共存時，就形成了塵埃等離子體。塵埃顆粒可以由冰顆粒或金屬顆粒組成，其質量比離子要大，尺寸範圍從幾毫米到納米級別不等。
塵埃等離子體具有更加複雜的特性，當帶電粒子浸入等離子體中時，這種等離子體被稱為塵埃等離子體，也被稱為複雜等離子體。塵埃顆粒以不同的形狀和尺寸存在於整個宇宙和大氣中。
它通常是固態的，但也可以存在於液態和氣態。塵埃顆粒可以通過電子和離子的流動而帶電，帶電的塵埃顆粒受到電場和磁場的影響，它們的電勢範圍從1到10伏特不等。塵埃顆粒可以在實驗室中生長。塵埃等離子體引起了許多研究人員的關注。塵埃等離子體的輸運特性在科學和技術領域發揮了重要作用。
宇宙中存在的大部分等離子體都是塵埃等離子體。塵埃等離子體存在於恆星的大氣層、太陽風、太陽、星系、行星環、宇宙輻射以及地球的磁層和電離層中。
等離子體科學影響着人類的生活。它在激光發展、聚變能源、醫療器械消毒、等離子體加工、強粒子束、高功率能源、閃電、高功率輻射源和聚變能源控制等方面起着重要作用。等離子體控制着許多重要的設備和技術應用。
等離子體加工技術是最重要的技術之一，它在超導薄膜生長和金剛石薄膜等現代先進技術中起着重要作用。此外等離子體物理的實際應用涉及通過等離子體技術對材料進行處理。利用系統的電離性質可以產生等離子體的特定物理特性，
其中包括三種類型的過程，新材料的創造、有毒材料的破壞以及對現有材料的表面改性。在工業過程中，等離子體技術使用兩種不同類型的等離子體，即冷等離子體和熱等離子體。
第一種類型的等離子體是冷等離子體。冷等離子體的性質由電子溫度來描述，因為電子溫度大於離子溫度。表面的改性是由於等離子體粒子與材料相互作用，從而實現了材料的不同功能性質。冷等離子體是在真空中通過微波、直流源或低功率射頻產生的。第二種類型的等離子體是熱等離子體，它是通過射頻、微波源或直流交流電在高壓下產生的。
參考文獻
[1] 塵埃等離子體捕獲機制及診斷方法研究[D]. 丁哲.哈爾濱工業大學,2022
[2] 塵埃等離子體中靜電波的研究[D]. 王春華.大連理工大學,2006
[3] 塵埃顆粒對直流輝光放電與火箭噴焰等離子體參量特性的影響[D]. 梁勇敢.哈爾濱工業大學,2020
[4] 兩種典型環境中塵埃等離子體輸運動力學特性[D]. 田瑞煥.哈爾濱工業大學,2020
[5] 冪律分佈非平衡塵埃等離子體中的充電過程及塵埃聲波[D]. 貢婧宇.天津大學,2012
