如何解决微流控器件设计难题？

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  微流控  

微流控是一门涉及化学、流体力学、材料科学和生物医学的新兴交叉学科。微流控技术在生物检测、化学分析和乳液合成等领域都有很好的应用前景。特别是在生物检测邻域，微流控芯片可以用来筛选、分离细胞、样品标记等等功能。

但是微流控器件的设计过程中往往涉及到对多个物理过程的理解，包括流体在特定通道内的流场分布、不混溶两相流体的流动的控制、溶质在微流控通道内的输运和扩散、以及流体在电场、光场或声场这类外场作用下的响应。理解以及预测这些物理因素的相互作用是设计微流控器件的关键。

另一方面由于微流控芯片的制备往往需要用到微纳加工工艺，使得制备一套微流控设备要花费很多时间和精力。所以在实验上制备微流控器件之前，先通过理论上建模仿真优化设计方案是提高科研效率的必要途径。另外在论文中增添理论模拟的部分也能提升文章质量，助力冲击高档次期刊。

下面我们就来看看最近一篇发表在 Science Advances 上的微流体领域的文章是如何运用仿真模拟辅助自己的研究课题的。（Schuerle et al., Sci. Adv. 2019; 5: eaav4803）

纳米粒子(NPs)已经成为一种优势的药物传递平台，用于治疗各种疾病，包括癌症、心血管和炎症疾病。然而，它们在运送材料方面的功效病变组织受到许多生理障碍的阻碍。其中一个障碍是运输出血管，再加上难以穿透目标组织。

这篇文章报告了两个不同的用法由旋转磁场驱动的微型螺旋桨通过增强局部磁场来增加扩散受限的纳米粒子输运流体对流。在第一种方法中，我们使用了一种叫做人工细菌的合成磁性小机器人鞭毛(ABF), 在第二种方法中，我们使用了大量的趋磁细菌(MTB)来创建一个可定向的利用铁流体动力学“活铁流体”。这两种方法都增强了微流体模型中的纳米粒子输运由胶原基质包围的微通道组成的血液渗出和组织渗透。

 

这篇文章中的微流控期间涉及到了多了物理场，有外加的磁场，流体的流场，还有物质在流场中的输运和扩散。如上图所示，通过COMSOL模拟，文章得到了在外加磁场超控下的局部流场分布，仿真模拟的结果能够帮助我们理解旋转磁场对流体流动的影响。另外，在该流场作用下的物质的浓度分布也很容易可以得到。

文章中用到的COMSOL是一款非常灵活易用的有限元模拟软件，能够非常方便的模拟微流体领域的各种物理问题。目前微流控领域以及液滴亲疏水浸润性方面几个热点研究方向我们都能通过 COMSOL进行仿真模拟。

 

1. 电渗流以及物质在微流通道内的扩散

由于微流控器件尺度较小，使用外加电场的方式操控流体运动是目前主要的方法。其中电渗（Electroosmosis）是一种常用方法，外加电场施加在一个带电荷的表面（玻璃毛细管的内壁）或者多孔的固体介质的两端，驱动通道内的溶液以某一固定的速度流动。流动速度与壁表面电位和外加电场强度有关。COMSOL Multiphysics 内置了电渗流边界条件，可以非常方便的模拟电渗流问题。以下案例分析了一个U型电渗流器件中的溶质输运和扩散，使用模拟计算进行流体通道拐弯处几何优化，可以将弯曲引起的溶质弥散降至最低程度。

2.介电泳

介电泳（Dielectrophoresis）是在外加电场作用下，由于悬浮颗粒与溶剂之间介电常数差异造成的作用力。介电泳作用力会将介电常数小于溶剂的颗粒拉往电场强度较低的地方。另外介电泳力的大小还与颗粒半径有关，所以介电泳常被用来分离大小不同的颗粒或细胞。设计介电泳器件，需要控制电场分布、流场，还要计算不同颗粒在器件中的运动轨迹。这是涉及多个物理过程的复杂问题，但通过COMSOL Multiphysics 建模计算能完全模拟介电泳器件，帮助我们设计优化高效的介电泳器件。

3.两相流

T型管利用两种不互溶液体来产生各种大小的微液滴，但液滴形成的大小和两个入口的流速，表面张力都有关系。利用两相流模拟方法能够准确模拟T型管中液滴的形成过程，还可以研究流体流动和添加剂化学品等因素，了解它们如何影响液滴大小及形成。

4.各种亲疏水和浸润性现象

在固体表面亲疏水性和液滴表面张力作用下，液滴会发生各种不同的浸润性现象。许多动态的液滴的浸润现象都非常快，往往需要高速摄像机才能捕捉。但另一方面，我们也可以COMSOL在理论上通过模拟计算得到液滴的运动过程。

5.电浸润

电浸润就是通过外加电场操控液滴在固体表面的接触角。在一个原本疏水的表面，液滴具有较大的接触角，当施加一定的电压能使接触角变小。通过电极的设计和不对称施加电场，就能定向操控液滴的运动。电浸润的另一种应用场景是制作变焦透镜，通过电压调节液滴表面的曲率实现透镜曲率的调节。

6.马兰格尼效应

马兰格尼（Marangoni）效应是液体表面张力梯度引起的流体运动，液滴蒸发过程中的马兰格尼效应是非常经典的流体力学研究领域。液滴蒸发过程中一种马兰格尼效应产生的机理是这样的：蒸发蒸发产生的吸热效应会使液滴表面温度降低，液滴表面不同位置蒸发速率不同，导致了表面温度不同，温度梯度造成了表面张力的梯度进而形成马兰格尼效应。通过COMSOL Multiphysics 建模能同时计算蒸发、传热和表面张力梯度引起的流体流动。

  总结  

在微流控和亲疏水浸润性领域，许多过程都能进行仿真模拟。通过模拟能帮助优化器件设计，帮助我们分析和理解各种物理过程，提高科研效率，有助于创造优质科研成果。

其实除了微流控方向，COMSOL仿真模拟在很多科研领域都有重要应用！

它是一款功能强大的通用多物理场仿真软件，用于仿真模拟工程、科学研究、数值计算等各个领域的设计、设备及过程

COMSOL 的功能非常齐全，其功能涵盖了力学、流体、电磁、传热、化工、电化学、声学等各个领域。能够满足不同研究领域科研人员的需求

对于不同的物理问题，其软件界面操作和建模方式是完全相同的，大大降低了使用者的学习成本

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2019年08月24-25日 北京·中科院过程所

2019年08月31-09月1日 上海·复旦大学

2019年09月21-22日 广州·华南师范大学

2019年09月28-29日 北京·中科院过程所

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课程概要

提高文章中稿率、冲高影响因子的关键，在于数据的说服力是否足够强大。实验结果不理想，数据不够完美，论文内容缺乏支撑，这些问题有限元仿真模拟都可以轻松解决。帮助文章轻轻松松更上一区，让你的实验结果从此告别“差强人意”，高影响因子不是梦！

在当今的高档次科研论文中我们能够见到许多工作都使用到了仿真模拟来阐述科学问题。一直以来仿真模拟就是一项重要的科研技能，在许多物理和工程类学科（力学，光学，流体力学，电磁学，声学，化工）中发挥着不可替代的作用。许多科研工作的理论分析，结构设计和优化都依靠仿真模拟来完成。近年来随着交叉学科的发展，仿真模拟的需求也不限于上述的学科，在新兴的材料科学，能源科学，生命科学的研究工作中也越来越多的应用到仿真模拟这一工具。另一方面随着友好易用的商用仿真模拟软件COMSOL的出现，仿真模拟不再是一项需要深厚理论基础的高门槛技术。通过COMSOL软件的使用，越来越多的科研工作者可以利用仿真模拟帮助自己的研究工作。

本课程专门针对科研学术领域，为学员提供仿真模拟软件COMSOL Multiphysics 软件使用的全面详细讲解。课程从入门级内容开始，循序渐进地讲解数值仿真中的模型分析方法，以及建模操作流程（其中包括创建几何、网格剖分、设定物理场、求解及结果的后处理等），让学员全面掌握整个建模流程，并能够独立地使用 COMSOL 求解相关仿真问题。有无基础的学员均可参加培训，我们将根据学员的专业背景和软件基础量身定制课程内容。

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课程内容

1.入门有限元仿真模拟

有限元方法的基本内涵，仿真模拟基本理论的讲解，以及该方法在科学研究中的广泛应用领域和重要意义，能够帮助科研人员解决的实际问题，不同仿真模拟软件（COMSOL ANSYS Abaqus）的特点和在科研上运用的优缺点比较；

COMSOL 软件介绍及基本操作演示和教学，包括软件界面学习、创建和导入几何模型、物理场设置、网格剖分与求解和结果后处理等。

2.有限元模拟的一般思路和通用方法

理解线性和非线性有限元法的理论基础，了解COMSOL 多物理场仿真软件的基本知识，以典型的多物理场模拟为入门教学案例，帮助学员迅速入门并掌握有限元分析方法的基本思路，并能够灵活应用于自己的研究领域。

3.COMSOL软件的高级使用技巧

结合大量科研实际案例进行实践操作过程的演示教学，包括几何建模注意事项，优化网格划分的方法与技巧，结果后处理与复杂图表的绘制方法，多物理场耦合的方法与技巧，通过函数、变量与自定义方程的使用模拟复杂的问题等，深入学习COMSOL软件的高级操作技巧，并结合学员科研背景进行案例演示，进一步挖掘实操中的常用技巧。

4.多物理场仿真建模的高效技术解决方案

结合实例学习多物理场仿真有限元法的数学理论基础，多物理场耦合的分析方法和注意事项，添加方程式及耦合分析；求解时域，频域和特征值问题；移动网格和自适应网格方法，查找，理解和排除建模中的错误，用户工作效率最大化的有效建模，仿真模拟在科研中的实战演练，结合学员背景与最新顶级期刊案例进行仿真模拟实战训练，进一步深入学习COMSOL软件的指导与建议，针对科研工作中的问题和老师当面交流，理清思路，解决模拟困难。

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部分教学案例展示

几何建模注意事项

优化网格划分的方法与技巧

结果后处理与复杂图表绘制

多物理场耦合的方法与技巧

通过函数、变量与自定义方程

的使用模拟复杂问题

纳米摩擦发电机仿真模拟

微流体物质混合模拟

金属光栅衍射

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课程试听

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学员作品

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模拟案例

 更多案例：http://www.zhongkehuancai.com

讲师简介

Dr. Li

中科幻彩仿真模拟事业部技术总监

中国科学院博士

美国加州大学洛杉矶分校博士后

全国物理奥林匹克竞赛金牌

美国数学建模大赛一等奖（Final Winner）

以第一作者身份著述的多篇论文在众多顶级杂志发表：

《Nature Communications》

《Science Advances》

《Advanced Materials》

《JACS》

  ……

8年化学/材料/物理/工程/生物仿真模拟经验

100+通过模拟显著提升文章档次的案例

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凡报名培训的学员将免费获赠COMSOL高级建模指导资料，科研常用有限元模拟案例模型文件及各学科领域计算公式资料文件，课后学员交流群持续讨论学习/专业讲师答疑指导

学员群课后交流 讲师随时解答

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课程特色

★特色一：COMSOL可以更好地服务于科研群体。我们课程将从科研实例出发，帮助学员掌握各种技巧和套路，轻松玩转有限元模拟软件。

★特色二：讲师总结八年有限元模拟经验，带领学员快速入门，学会如何从实际问题中提炼出物理模型，建立物理建模思维，掌握仿真模拟的一般方法和通用思路。

★特色三：将化学、物理、生物、材料等领域中典型模型作为实战案例，同时根据学员专业背景进行素材整理，量身定制课程内容，将学以致用发挥到极致。

★特色四：建立专属学员微信群，课前专业助教协助安装软件下载素材包，课后讲师长期群内随时答疑，不定期推送模拟技能提升小视频，帮助学员轻松应对仿真模拟中的常见难题。

★特色五：我们承诺：学员一次报名，终身免费复学。无需担忧学不会、学不精，只要你愿意学，幻彩保证奉陪到底。

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往期现场

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报名通道

时间地点：

2019年7月13-14日 上海·复旦大学

2019年8月24-25日 北京·中科院过程所

2019年8月31-9月1日 上海·复旦大学

2019年9月21-22日 广州·华南师范大学

2019年9月28-29日 北京·中科院过程所

注册费用：

原价：2990元/人

团报价：2790元/人（3人及以上）

报名咨询：17611790910（毛老师）

备注：如有专场培训需求，可安排讲师赴贵单位开展专场培训，专场培训价格更优

提供正规发票（包括会议注册表、邀请函等报销材料）、费用包含两日午餐，住宿及其他费用自理

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报名方式

扫描下方二维码在线填写报名表，工作人员会在收到报名信息的第一时间电话联系确认相关信息

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缴费方式

1.银行转账汇款（由中科卓研代收）

开户行：北京银行中关村海淀园支行

收款单位：北京中科卓研科技有限公司

银行账号：20000032746600012611147

备注：姓名+单位+场次

2.支付宝转账

企业支付宝账户：zhongkezhuoyan@163.com

请核对户名：北京中科卓研科技有限公司

3.现场刷卡/现金

培训当天可刷公务卡或现金或微信支付，请扫码填写报名信息以便我们提前为您准备发票等报销手续

 

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常见问题

Q：有限元仿真模拟对我的论文有怎样的帮助，真的能提高文章档次吗？

A：对于一部分的研究领域，例如人工超材料，理论上的模拟计算可以说是必不可少的。而对于更多的研究领域，模拟计算可以作为实验的补充，能进一步验证实验的结论，提高结论的说服力。理论模拟丰富了文章的内容，在工作量上也使文章更充实。另外模拟计算很多时候可以优化实验设计，提高实验效率。

 

Q：我是零基础学员，两天的时间也能学会吗？

A：我们的培训就是针对零基础学员的。我们的课程一方面讲授模拟软件的使用，更重要的是另一方面讲解科研中的理论建模的思维方法。如何把模拟加入自己的科研工作，提升文章的质量。

Q：什么专业方向都可以做有限元模拟吗？

A：有限元方法是一种一般性的数值计算的方法，用来求解各种偏微分方程，理论上只要是能用偏微分方程描述的物理化学过程都可以都用有限元方法求解。有限元不仅在各个物理学科和工程领域这些传统领域有广泛的应用，而且现在越来越多的运用到交叉学科的研究中，例如柔性传感器件，能源器件，生物工程，微流控等等几乎目前所有的热门研究领域。

 

Q：每场培训有多少学员呀？不会是那种人山人海的大课吧？

A：为保证教学质量，也为学员营造舒适的学习环境，我们每场培训都会将招生人数限制在30人以内，以保证良好的课堂秩序，同时安排助教协助学员进行软件安装、现场答疑、课堂辅助教学等。

 

Q：我是慢热型的学生，接受新知识慢，一次学不够怎么办？

A：老学员可以免费复听，一次报名终身免费复学，只要你学不够，我们就一直教下去～

 

Q：可以开具发票进行报销吗？

A：当然可以！我们将为学员开具正规发票，并可以根据学员报销需求提供培训邀请函、项目明细清单、会议注册表等材料，并在培训当天将发票和报销材料发放给学员。

 

Q：培训提供食宿吗？

A：我们为学员提供两日培训的午餐，住宿需要学员自费，我们会在报名确认邮件中发送周边酒店信息，方便学员选择和预定。老学员复听不再重复安排午餐和资料，带着身份证现场签到即可。

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