COMSOL是一款集多物理場于一身的數值計算軟件，其計算結果與實驗數據可實現驚人的吻合，這也體現了其超高的計算精度。通過對計算數據的后處理和可視化，我們可以更進一步理解實驗背后的理論機制，使我們在論文撰寫中有理有據，文章的質量可以指數上升。
（COMSOL軟件操作界面）
今天，我們從一篇經典的Science工作，帶大家了解一下COMSOL在電磁模擬模塊方面的神通之處。（Tittl, Andreas, et al. Science 360.6393 (2018): 1105.）。
這篇文章利用像素化的介質超表面結構，能夠精確讀取不同有機分子特有的吸收峰，并呈現出類似“條形碼”的二維空間圖像，有望應用于新型高靈敏中紅外分子檢測設備。其中背后的物理機制的分析可通過COMSOL的電磁仿真模擬得出來的，最終發現將橢圓形共振單元排列成二維陣列結構如圖一。
構造出像素化的介電超表面，進而改變共振結構的尺寸，使得位于不同像素點的共振單元具有不同波長的共振峰，每個共振都調諧到離散頻率。由于像素化的超表面是大量像素點的組合，因而它擁有一系列離散的窄峰組合，從而覆蓋待測分子紅外吸收段。將蛋白質分子放在超表面上，分子振動和超表面的共振單元電場耦合，會調制像素共振峰的衰減和展寬，最終像素化超表面能夠在多個離散的頻率點處表現出蛋白質的吸收特性，并將此光譜吸收信息轉化為各個像素點吸收信號的條形碼空間圖。
下面是COMSOL模擬相關的部分圖。
圖1：像素化的介質超表面探測生物分子原理（Simulation）
（A）高Q像素點組成的二維陣列，像素點共振頻率在目標分子指紋范圍內。
（B）由各向異性a-Si：H構成的鋸齒狀共振單元（Q> 200）。通過將晶胞橫向尺寸縮小一定倍數來控制共振頻率。
（C）超表面像素點反射光譜，能夠覆蓋酰胺的光譜范圍。
（D）共振像素點的場增強效應。
（E）像素點反射信號的振幅包絡再現了蛋白質層的吸收指紋。
（F）通過表面反射響應產生的分子特定條形碼。
圖2. 實驗上與圖一對應的測試分析
根據圖一二中仿真模擬和實驗數據吻合，驗證了我們仿真模型的超高精確度。因此進一步通過圖一中電磁場能量分布的計算分析，得到分子振動和超表面的共振單元電場耦合的背后物理機制。因此在文章中既有漂亮的實驗數據，又有完美的理論分析，整篇文章的質量肯定指數增長，最終有了這篇高檔次的Science工作。除此之外，本工作在模擬上利用波動光學或者RF模塊進行計算，邊界條件是常用的端口和周期性條件，可以去模擬像素化超表面共振的電磁光譜，同時再加上模型中分子模擬，就可以直觀的理解清楚分子振動和超表面的共振單元電場耦合過程。因此,COMSOL在未來科研領域會發揮越來越重要作用,尤其是有利于推動交叉學科的發展。
今天分享的只是有電磁模擬方面的一部分案例，其實有限元仿真模擬還可以應用于很多專業領域，而且越來越多的運用到交叉學科研究中，掌握有限元模擬方法可以說已經成為一種通用的科研技能！
