重力与微重力下多元尘埃等离子体的结构、输运与调控

Dusty plasma is a many-particle system composed of ionized gas and charged mesoscopic particles. Studying its structure and transport phenomena gives us a unique opportunity to study generic process occurring in solids and liquids such as structure formation, phase transition and pattern formation at kinetic level. Besides, dusty plasma has various industrial applications including low temperature plasma enhenced chemical vapor deposition (PECVD) of thin films and thermonuclear fusion. Until recently, most investigations focus on the unitary dusty plasmas, which contain single type of particles with a size of a few micrometers. This project extends the research to polynary dusty plasmas which contain multiple types of dust particles including both microparticles and nanoparticles. Combining the experiments in the microgravity plasma facility PK-4 on board the International Space Station and in the plasma lab on the ground, we will study various phenomena including evolution of self-organization, single particle dynamics and collective transport in polynary dusty plasmas. With long-distance microscope combined with video microscopy, we aim to observe the single particle dynamics of certain nanoparticles. Using thermophoresis, radiation pressure coupled with electromagnetic field, we aim to control the transport processes of dust particles in a high precision. Furthermore, we plan to apply this manipulation method to control the transport processes of reactive nanoparticles in the PECVD experiments to optimize the quality of thin film deposition.

尘埃等离子体是一个由电离气体与带电介观颗粒组成的多粒子复杂系统，其结构、输运等动力学过程的研究对物质固体和液体的结构形成、相变、斑图等经典物理现象、聚变等离子体尘埃、低温等离子体气相薄膜沉积等各方面都有着重要理论与应用意义。 本项目将尘埃等离子体的研究从一元微米尘埃等离子体系统扩展到含多种微纳米尘埃颗粒的多元尘埃等离子体系统, 克服一元系统在实验参数调节以及物理现象研究方面的局限性。 利用国际空间站微重力等离子体实验室 PK-4 结合地面等离子体实验室进行实验，研究多元尘埃等离子体系统在不同重力条件下的自组织结构演化、 颗粒个体动力学过程及集体输运过程。 使用长距显微镜结合显微摄像技术观测满足一定条件的微米、纳米颗粒的个体运动。 利用热泳、 光压和电磁效应的耦合作用， 实现对多元尘埃等离子体输运过程的精密调控，并应用于等离子体气相薄膜沉积中微纳米活性颗粒的输运过程调控，优化薄膜沉积的结构。

复杂（尘埃）离子体物理是等离子体物理的重要分支，在空间环境、聚变能源、电脑芯片工业、实验室基础研究等方面取得有重要的应用。 本项目研究了由两种尺寸不同颗粒混合形成的二元复杂等离子体系统，在粒子层面考察了超声速颗粒后部的“湍流性尾流”的特性，建立了非互易颗粒系统的统计力学模型，并揭示了二元准二维复杂等离子体的慢动力学弛豫特征。利用国际空间站微重力等离子体实验室，研究二元复杂等离子体中自激发波在界面附近的动力学特性，发现了波峰在传播过程中存在“碰撞区”和“融合区”。通过研究颗粒云中高速运动的异种颗粒的运动规律，我们发现由激光产生的光泳力对颗粒速度具有很大的贡献，结合光学显微镜表征，我们发现这些颗粒表面具有明显的缺陷。