微流控是一門涉及化學(xué)、流體力學(xué)、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的新興交叉學(xué)科。微流控技術(shù)在生物檢測、化學(xué)分析和乳液合成等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。微流控器件的設(shè)計過程中往往涉及到對多個物理過程的理解，包括流體在特定通道內(nèi)的流場分布、不混溶兩相流體的流動的控制、溶質(zhì)在微流控通道內(nèi)的輸運和擴(kuò)散、以及流體在電場、光場或聲場這類外場作用下的響應(yīng)。理解這些物理因素的相互作用是設(shè)計微流控器件的關(guān)鍵。另一方面由于微流控芯片的制備往往需要用到微納加工工藝，使得制備一套微流控設(shè)備要花費很多時間和精力。所以在實驗上制備微流控器件之前，先通過理論上建模仿真優(yōu)化設(shè)計方案是提高科研效率的必要途徑。另外在論文中增添理論模擬的部分也能提升文章質(zhì)量，助力沖擊高檔次期刊。
一篇發(fā)表在Nano Lett. 上的研究論文設(shè)計了一種用于制備納米乳膠顆粒的微流控設(shè)備。兩種反應(yīng)物溶液分別從下圖中紅色和藍(lán)色的入口流入，并且在流入后在通道內(nèi)產(chǎn)生渦流。渦流的強(qiáng)度和大小會影響兩種反應(yīng)物的混合與反應(yīng)，從而產(chǎn)生不同粒徑大小的納米顆粒。文章通過仿真模擬可以很好的預(yù)測和調(diào)控渦量的大小和形貌。并且通過模擬很好的解釋了其中的科學(xué)問題。
（Nano Lett. 2012, 12, 3587.）
另一篇發(fā)表在Nature communications 上的論文就通過仿真模擬研究了微流通道中的一個擾流障礙物對流體行為的影響。通道入口出中間部分被綠色熒光標(biāo)記的部分流線，在經(jīng)過擾流障礙物以后，形成了多樣化的形貌。這些形貌一方面與障礙物的位置有關(guān)，另一方面也流體的雷諾系數(shù)有關(guān)。通過流體的仿真模擬很好的預(yù)測了被標(biāo)記部分的形貌演變，并與實驗結(jié)果有非常好的吻合。
（Nature communications, 2013, 4,1826.）
以上高檔次文章中的仿真模擬我們都可以通過COMSOL Multiphysics 這款軟件實現(xiàn)。COMSOLMultiphysics是一款非常靈活易用的有限元模擬軟件，能夠非常方便的模擬微流體領(lǐng)域的各種物理問題。目前微流控領(lǐng)域以及液滴親疏水浸潤性方面幾個熱點研究方向我們都能通過 COMSOL Multiphysics 進(jìn)行仿真模擬。我們可以總結(jié)一下，以下的幾大類問題我們都可以使用COMSOL 非常方便的解決。
1. 渦流形成和雷諾系數(shù)的關(guān)系
雷諾系數(shù)（Re）的大小代表了流體慣性作用和粘度作用的比例。在微流體通道結(jié)構(gòu)不變的情況下，流體流速增大，雷諾系數(shù)相應(yīng)增大。通過流體力學(xué)模擬我們能準(zhǔn)確預(yù)測在一定雷諾系數(shù)下渦流形成的形貌。通過理論模擬能幫助我們設(shè)計和優(yōu)化微流控通道的結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期目的，例如圖中這篇2013年的Nature Communications 就計算了不同雷諾系數(shù)下的渦流形成。
2. 電滲流以及物質(zhì)在微流通道內(nèi)的擴(kuò)散
由于微流控器件尺度較小，使用外加電場的方式操控流體運動是目前主要的方法。其中電滲（Electroosmosis）是一種常用方法，外加電場施加在一個帶電荷的表面（玻璃毛細(xì)管的內(nèi)壁）或者多孔的固體介質(zhì)的兩端，驅(qū)動通道內(nèi)的溶液以某一固定的速度流動。流動速度與壁表面電位和外加電場強(qiáng)度有關(guān)。COMSOL Multiphysics 內(nèi)置了電滲流邊界條件，可以非常方便的模擬電滲流問題。以下案例分析了一個U型電滲流器件中的溶質(zhì)輸運和擴(kuò)散，使用模擬計算進(jìn)行流體通道拐彎處幾何優(yōu)化，可以將彎曲引起的溶質(zhì)彌散降至最低程度。
3. 介電泳
介電泳（Dielectrophoresis）是在外加電場作用下，由于懸浮顆粒與溶劑之間介電常數(shù)差異造成的作用力。介電泳作用力會將介電常數(shù)小于溶劑的顆粒拉往電場強(qiáng)度較低的地方。另外介電泳力的大小還與顆粒半徑有關(guān)，所以介電泳常被用來分離大小不同的顆粒或細(xì)胞。設(shè)計介電泳器件，需要控制電場分布、流場，還要計算不同顆粒在器件中的運動軌跡。這是涉及多個物理過程的復(fù)雜問題，但通過COMSOL Multiphysics 建模計算能完全模擬介電泳器件，幫助我們設(shè)計優(yōu)化高效的介電泳器件。
4. 兩相流
T型管利用兩種不互溶液體來產(chǎn)生各種大小的微液滴，但液滴形成的大小和兩個入口的流速，表面張力都有關(guān)系。利用兩相流模擬方法能夠準(zhǔn)確模擬T型管中液滴的形成過程，還可以研究流體流動和添加劑化學(xué)品等因素，了解它們?nèi)绾斡绊懸旱未笮〖靶纬伞?/span>
5. 各種親疏水和浸潤性現(xiàn)象
在固體表面親疏水性和液滴表面張力作用下，液滴會發(fā)生各種不同的浸潤性現(xiàn)象。許多動態(tài)的液滴的浸潤現(xiàn)象都非常快，往往需要高速攝像機(jī)才能捕捉。但另一方面，我們也可以COMSOL在理論上通過模擬計算得到液滴的運動過程。例如下圖所示的水在毛細(xì)管中的上升過程和液滴在疏水表面彈起的過程。
6. 電浸潤
電浸潤就是通過外加電場操控液滴在固體表面的接觸角。在一個原本疏水的表面，液滴具有較大的接觸角，當(dāng)施加一定的電壓能使接觸角變小。通過電極的設(shè)計和不對稱施加電場，就能定向操控液滴的運動。電浸潤的另一種應(yīng)用場景是制作變焦透鏡，通過電壓調(diào)節(jié)液滴表面的曲率實現(xiàn)透鏡曲率的調(diào)節(jié)。
7. 馬蘭格尼效應(yīng)
馬蘭格尼（Marangoni）效應(yīng)是液體表面張力梯度引起的流體運動，液滴蒸發(fā)過程中的馬蘭格尼效應(yīng)是非常經(jīng)典的流體力學(xué)研究領(lǐng)域。液滴蒸發(fā)過程中一種馬蘭格尼效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理是這樣的：蒸發(fā)蒸發(fā)產(chǎn)生的吸熱效應(yīng)會使液滴表面溫度降低，液滴表面不同位置蒸發(fā)速率不同，導(dǎo)致了表面溫度不同，溫度梯度造成了表面張力的梯度進(jìn)而形成馬蘭格尼效應(yīng)。通過COMSOL Multiphysics 建模能同時計算蒸發(fā)、傳熱和表面張力梯度引起的流體流動。
總結(jié)
在微流控和親疏水浸潤性領(lǐng)域，許多過程都能進(jìn)行仿真模擬。通過模擬能幫助優(yōu)化器件設(shè)計，幫助我們分析和理解各種物理過程，提高科研效率，有助于創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)科研成果。掌握微流控方面的仿真模擬技能能夠在許多方面幫助我的科研工作。
