• 汇集公众科学智慧交流科学思想见解
  • 点燃科学智慧火花构建互动交流平台
科学智慧火花
科学智慧火花校园行系列活动

等离子体与生活

刘泽慧 访问量: 【字号:

茫茫宇宙中能够被人类看到的东西很多,但是看不见的东西更多,科学家推测,可见物质只占据整个宇宙总质量的4%。而在可见物质中,99%都以等离子体的形式存在。那么什么是等离子体?等离子体对于人们的生活有哪些影响?

原来随着人们的学习与科研实验探究的深入,发现物质不仅有气态、液态和固态,还有第四种状态,即等离子体态。等离子体(plasma)是带电粒子和中性粒子组成的表现出集体行为的一种准中性气体。看似神秘的等离子体,在宇宙中却是一种常见物质,太阳、恒星、星云等星际物质中都存在等离子体,闪电、极光和地球周围的电离层也都存在等离子体。日常生活中,等离子体也有很多应用:荧光灯管、彩色的霓虹灯、空气净化器、等离子体屏幕等等。

按照等离子体的体系温度,等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体两类。等离子体中的电子温度很高,在高温等离子体中,周围粒子温度与电子温度可达到平衡,而低温等离子体中,粒子温度则远远小于电子温度,当电子温度达100000K时,等离子体温度约在300-1000K。高温等离子体一般指核聚变等离子体,具体形式有太阳日冕,磁约束聚变或惯性约束聚变,高温等离子体,顾名思义,其温度极高,约5000-30000K,电流极大,10-1000A,电离度约为1,需大型装置产生,如托克马克,一般实验室的环境难以产生。低温等离子体又可依据粒子的热力学平衡状态分为三类:热等离子体(近局域热力学平衡等离子体)、冷等离子体(非平衡等离子体)、燃烧等离子体。

等离子体包含的空间参数非常广泛,若以物态的两个基本热力学参数密度和温度进行描述,等离子体的密度从103cm-31033cm-3跨越了30个量级,温度从102109K跨越了7个量级。考虑到工业、生活应用时的装置设备以及能源效率等,我们通常所涉及的等离子体属低温等离子体范畴,电子温度在1-10eV,密度为1014cm-3-1015cm-3,一般通过气体放电产生,因此又常常被成为气体放电等离子体。根据放电产生的机理、气体的压强范围、电源性质,以及电极的几何形状,气体放电等离子体主要分为以下几种形式:辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、射频放电、微波放电。低温等离子体意味着,一方面电子有足够高的能量使反应物分子激发、离解和电离,另一方面反应体系又得以保持低温乃至接近室温。这样一来不仅设备投资少、省能源,而且所进行的反应具有非平衡态的特色。

等离子体对人们的生活影响将是巨大的,等离子体现已应用到空气净化、土壤污染处理、杀菌等方面,具有明显经济、社会和环境效益。我国学者首先提出和创立等离子体医学这门新型交叉学科,等离子体为治疗癌症、美容护肤等方面燃起了曙光。

大气压低温等离子体,可工作在开放空间中,低能耗,可连续处理,设备也较简单。工业应用中通常采用介质阻挡放电(DBD)方式,因为这种方式放电较为均匀,处理面积大,可用于污水净化等。在医学方面则主要采用电晕放电,在针尖附近放电产生等离子体实现精准控制,并且常使用在一些惰性气体氛围下。相应的等离子体放电电极结构通常为平板结构或者射流结构。

当等离子体与医学进行关联时,首先要考虑人体是否能够接受等离子体的温度、电流的大小等各项参数。所以一般应用冷等离子体,即使电子温度很高,但是人体感受的温度主要都来自离子,原子这些较重的粒子,因此不会灼伤人体的皮肤及组织。并且由于低温等离子体电离度很低,约10-7-10-4,通过人体的电流能够达到行业规定标准。

由于等离子体的组成复杂,内有分子、原子、电子、离子、光子、生子、自由基等,等离子体与物体进行作用时,同时存在物理、化学、机械效应等。物理效应有声(声波、超声),光(紫外、可见、弱红外),电(脉冲、直流、交流),热(局部、微热),离化(负氧离子),磁(磁场)。化学效应有臭氧、负氧离子等各种粒子作用,机械效应有冲击波等。在具体应用时,要充分考虑各种效应对应用结果的影响。

如等离子体用于杀菌时。通过介质阻挡放电方式长生的等离子体,温度范围约在320±80K之间,通常是认为等离子体中产生的化学粒子(如臭氧)和紫外射线(220-280nm)将细菌氧化。等离子体也能够通过强脉冲电场破坏微生物的细胞膜或分解细菌的核酸等物质。等离子所具备的功能是由于它跟生物相互作用时的特性参数决定的。通常认为等离子体通过四种效应进行除菌:热效应、化学粒子带来的效应、静电干扰效应、放射效应。目前主导的杀菌机理尚不明确,在不同的杀菌过程中,不同的效应占据主导地位,并且通常是多种效应共同作用。特定参数的部分等离子体能够在不影响人体正常细胞的情况下进行杀菌。

现在小型的家用医疗设备正在逐渐成为人们关注的焦点,医疗资源的短缺导致了患者在接受治疗之前要等待过长的时间,这就萌发了简单易操作的血压测量仪、血糖测量仪等。而在等离子体电流对人体的作用下,能够增强人体细胞活性,加速血液循环,延缓皮肤衰老等功效。其功能非常适合每个家庭拥有,因此目前射流结构正日益简化为重量较轻可随身携带的等离子体笔(Plasma Pen),它可以满足在家中即对自身进行处理的要求。但是综合来看,2018年一篇关于kINPen的文献中所涉及的等离子体笔仍然存在着体积较大的问题。而且对于等离子体在处理人体之后能够解决人体健康的稳定性还尚待探索。等离子体作为一种替代的处理能源,其功耗较低,处理过程较温和,因此前景很广阔,值得期待。目前市面上发行的等离子体笔销量较少,无从探究其真正效用,在此方面仍期待着相关科研工作者的探索与发现,另外,等离子体也会对人体有一定影响,使用时要注意用量和使用方法,应用相关产品时要关注产品的安全评测是否达到标准。