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文 |溪知许a
编辑|溪知许a
前言
近年来，复杂材料的热物性质在科学和工程领域成为一个主要关注点。热物性质这个术语用于描述热力学和传输性质。研究流体性质的实验或理论方法取决于微观和宏观分类。
常规的宏观测量依赖于应力状态、温度和密度。热力学性质由系统的平衡条件定义，包括温度、热容、熵、压力、内能、焓和密度，而传输性质包括热导率、扩散粘度以及具有其不稳定性的波动。
为了对这些系统的过程进行更详细的解释，需要适用于非理想等离子体的热力学、传输、光学、传输、光和其他特性的数据。在这方面，关于计算机研究方法的各种观点，包括理论和数值性能，对于非理想等离子体有了很大的改进。
由于某种原因，热导率也成为热物性质研究者面临的一个大问题。微米和纳米尺度材料中热传导的发展方面已经转移到了技术问题领域，例如半导体超晶格中的声子热传导，这引起了研究人员的广泛关注。所以研究粒子的内能、动量和热传递仍然是一个关键任务。而热管理、可持续高性能、可靠性和使用寿命是主要目标。
其中一种策略是基于含尘等离子体开发更有效的新型治疗材料。在现代技术中，法规与批准成为一个重要问题。然而在等离子体聚变中也存在类似的兴趣，它可能产生与等离子体壁反应中的辐射有关的尘埃。
在许多方面，本章提供了关于二维复杂液体中热传输和热流策略的更新文献综述。热传输系数是通过Salin和Caillol使用的Green Kubo平衡分子动力学模拟计算的，而方差程序估计则是Faussurier和Murillo使用的方法。Donkó和Hartmann采用不均匀非平衡分子动力学和方法，研究了传输和热导率。
最近Shahzad引入了一种均匀的NEMD和均匀扰动的MD方案，用于计算强耦合复杂尘埃等离子体的热传输和行为。特别是在计算传输性质方面，提出了数值模型以研究在适当范围的系统温度和密度值Γ, κ上的热行为。复杂流体已被用于许多领域，如发电、半导体工业、化妆品、纸张工业等。
等离子体
众所周知，在宇宙中99%的物质存在于等离子体状态，也被称为物质的第四态。基本上，等离子体是以电离的气体形式出现，其中原子解离为电子和正离子。
它是物理学中不同领域的一种物质形态，如技术等离子体、地球等离子体和天体物理学中的等离子体。在实验室中人工产生等离子体，用于许多技术目的，如荧光灯、显示器、聚变能研究等。
术语“等离子体”最早由美国物理学家欧文·朗缪尔提出，他将等离子体定义为“具有集体行为的带电粒子的准中性气体”。
准中性意味着当离子数等于电子数时，气体变为电中性ni≈≈ne≈n≈n。其中，ni是离子密度，ne是电子密度，n是粒子数密度。
集体行为意味着带电粒子彼此之间发生库仑相互作用和电场作用力的碰撞。等离子体在科学和技术领域得到广泛应用，在我们的日常生活中发挥着非常重要的作用。等离子体在激光、医疗器械消毒、照明、强大的功率束、水净化等领域得到应用。
1922年美国科学家欧文·朗缪尔首次对等离子体进行了定义。在1930年，一些学者开始研究等离子体物理学，他们受到一些粒子问题的启发。1940年，汉斯·阿尔芬进一步研究了磁流体动力学波，这些波被称为阿尔芬波。
此外他指出这些波将被用于天体物理等离子体的研究。在1950年初，磁约束聚变能的研究几乎同时在苏联、英国和美国开始。1958年，磁约束聚变能的研究被认为是热核能的一个分支。
刚开始这项研究是秘密进行的，但在意识到军方不喜欢可控聚变研究后，这项研究被上述三个国家公开。由于这个原因，其他国家可以参与基于等离子体物理学的聚变研究。在1960年末，俄罗斯的托卡马克装置创造了具有不同等离子体参数的等离子体。
在1970年和1980年，建造了各种先进的托卡马克装置，并验证了托卡马克的性能。此外，托卡马克几乎实现了聚变突破，在1990年开始了对尘埃等离子体物理学的研究。尘埃等离子体被定义为“当带电粒子被吸收到等离子体中时，形成包含电子、离子、中性粒子和尘埃粒子的四组分等离子体”，尘埃粒子改变了等离子体的特性，这就是所谓的“尘埃等离子体”。
等离子体的类型
等离子体具有复杂的特性和属性，通过电子和离子的温度、密度和电离程度可以分为三类。
第一类热等离子体，当等离子体满足电子温度≈离子温度的条件时，被称为热等离子体。热等离子体具有非常高的温度，并且由于粒子之间频繁的相互作用而达到热平衡。热等离子体也被称为热等离子体，它接近局部热力学平衡，可以在实验室的放电管中通过高气压产生。热等离子体可以通过火花、火焰和大气电弧产生。
第二类冷等离子体，当等离子体满足电子温度远大于离子温度和气体分子温度的条件时，被称为冷等离子体。其中Te、Ti和Tg分别代表电子、离子和气体分子的温度。冷等离子体可以在实验室中使用正柱光辉放电管创建。由于电子能量远高于气体分子，因此忽略了气体分子的运动。此外由于气体压力较低，气体分子与电子之间的碰撞也较少，因此不存在非热平衡。在这种状态下，磁场非常弱，可以忽略，只有电场对带电粒子起作用。冷等离子体的应用包括自洁过滤器、食品加工和牙齿消毒。
第三类超冷等离子体，当电子和离子的温度降低到约100mK和10μK，密度为2×109 cm−3时，被称为超冷等离子体。当德拜屏蔽长度小于样品尺寸时，超冷等离子体的行为表现出来，这是因为正离子云困住了电子。超冷等离子体被认为是强耦合等离子体，因为相邻粒子之间的库仑相互作用能量大于带电粒子的热能。可以通过脉冲激光和光电离冷却的原子在实验室中创建这种类型的等离子体。
尘埃等离子体的分类
尘埃等离子体的分类取决于一个重要参数，库仑耦合参数Γ。库仑耦合参数被解释为，假设有两个尘埃粒子，具有相同的电荷，彼此之间的距离为'a'。尘埃粒子的库仑势能为ɛc = q2d/(4πɛ0a) exp(-a/λd)，其中qd是尘埃粒子的电荷，a是尘埃粒子之间的距离，λd是尘埃粒子的德拜屏蔽长度。
尘埃粒子的热能为KBTd。库仑耦合参数被定义为“库仑势能与热能的比值”。根据库仑耦合参数，尘埃等离子体被分为理想等离子体（弱耦合尘埃等离子体）和非理想等离子体（强耦合尘埃等离子体），表示为Γc。
理想等离子体由称为库仑耦合的等离子体参数来定义，表示为Γ = PE/KE。当等离子体的动能远大于在低温和低密度下的势能时，被称为理想等离子体。理想等离子体也被称为弱耦合尘埃等离子体，用Γ > 1来表示。由于粒子之间的碰撞较少，密度较低，理想等离子体没有明确的结构。
另外弱耦合等离子体由称为库仑耦合参数Γ的等离子体参数来定义。当耦合参数的值可以忽略不计时，等离子体被称为弱耦合等离子体。弱耦合等离子体也被称为热等离子体。当电子的温度等于离子的温度时，被称为热等离子体或理想等离子体。热等离子体通过高气压在放电管中产生。热等离子体的例子包括火焰、火花和大气电弧。弱耦合尘埃等离子体由于密度较低、温度较高以及相互作用粒子之间的相互作用较少，因此没有特定的形状。
而当尘埃等离子体满足Γ ≥ 1的条件时，尘埃等离子体被称为强耦合尘埃等离子体或非理想等离子体。由于尘埃粒子之间的小距离、低温和巨大电荷，一些实验室的等离子体系统中的尘埃粒子属于强耦合状态。
另外如果带电尘埃粒子的平均热能远小于平均势能，尘埃等离子体将被视为非理想或强耦合状态。非理想等离子体的例子包括激光产生的等离子体、褐矮星、爆炸线圈、高功率电保险丝等。
此外使用Yukawa势或库仑耦合势Γ来定义强耦合等离子体。势能与动能的比值称为库仑耦合势。当动能低于势能时，即Γ > 1时，意味着强耦合尘埃等离子体也被称为冷等离子体，因为粒子间的相互动能降低而形成晶体结构的尘埃等离子体。
实验室中许多实验证实了尘埃等离子体中粒子的晶体形态。冷等离子体的应用包括自净化过滤器、食品加工和牙齿消毒。
在强耦合等离子体中，带电粒子受到电场的影响，而磁场的影响可以忽略不计。这种类型的冷等离子体具有高度耦合的特点，因为相邻粒子之间的库仑相互作用能量超过带电粒子的热能。
复杂等离子体及其应用
尘埃等离子体通常是由电子、离子以及额外的带电颗粒组成的等离子体。这些带电颗粒有时被称为尘埃颗粒，其尺寸大约为微米级别。
当带电颗粒与等离子体包括电子、离子、中性粒子和尘埃颗粒共存时，就形成了尘埃等离子体。尘埃颗粒可以由冰颗粒或金属颗粒组成，其质量比离子要大，尺寸范围从几毫米到纳米级别不等。
尘埃等离子体具有更加复杂的特性，当带电粒子浸入等离子体中时，这种等离子体被称为尘埃等离子体，也被称为复杂等离子体。尘埃颗粒以不同的形状和尺寸存在于整个宇宙和大气中。
它通常是固态的，但也可以存在于液态和气态。尘埃颗粒可以通过电子和离子的流动而带电，带电的尘埃颗粒受到电场和磁场的影响，它们的电势范围从1到10伏特不等。尘埃颗粒可以在实验室中生长。尘埃等离子体引起了许多研究人员的关注。尘埃等离子体的输运特性在科学和技术领域发挥了重要作用。
宇宙中存在的大部分等离子体都是尘埃等离子体。尘埃等离子体存在于恒星的大气层、太阳风、太阳、星系、行星环、宇宙辐射以及地球的磁层和电离层中。
等离子体科学影响着人类的生活。它在激光发展、聚变能源、医疗器械消毒、等离子体加工、强粒子束、高功率能源、闪电、高功率辐射源和聚变能源控制等方面起着重要作用。等离子体控制着许多重要的设备和技术应用。
等离子体加工技术是最重要的技术之一，它在超导薄膜生长和金刚石薄膜等现代先进技术中起着重要作用。此外等离子体物理的实际应用涉及通过等离子体技术对材料进行处理。利用系统的电离性质可以产生等离子体的特定物理特性，
其中包括三种类型的过程，新材料的创造、有毒材料的破坏以及对现有材料的表面改性。在工业过程中，等离子体技术使用两种不同类型的等离子体，即冷等离子体和热等离子体。
第一种类型的等离子体是冷等离子体。冷等离子体的性质由电子温度来描述，因为电子温度大于离子温度。表面的改性是由于等离子体粒子与材料相互作用，从而实现了材料的不同功能性质。冷等离子体是在真空中通过微波、直流源或低功率射频产生的。第二种类型的等离子体是热等离子体，它是通过射频、微波源或直流交流电在高压下产生的。
参考文献
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