微流控是一門涉及化學、流體力學、材料科學和生物醫(yī)學的新興交叉學科。微流控技術在生物檢測、化學分析和乳液合成等領域都有很好的應用前景。

微流控器件的設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的流場分布、不混溶兩相流體的流動的控制、溶質在微流控通道內的輸運和擴散、以及流體在電場、光場或聲場這類外場作用下的響應。理解這些物理因素的相互作用是設計微流控器件的關鍵。

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)化設計方案是提高科研效率的必要途徑。

COMSOL Multiphysics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域的各種物理問題。目前微流控領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 進行仿真模擬。

1.渦流形成和雷諾系數的關系

雷諾系數（Re）的大小代表了流體慣性作用和粘度作用的比例。在微流體通道結構不變的情況下，流體流速增大，雷諾系數相應增大。通過流體力學模擬我們能準確預測在一定雷諾系數下渦流形成的形貌。通過理論模擬能幫助我們設計和優(yōu)化微流控通道的結構達到預期目的，例如圖中這篇2013年的NatureCommunications 就計算了不同雷諾系數下的渦流形成。

2.電滲流以及物質在微流通道內的擴散

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（玻璃毛細管的內壁）或者多孔的固體介質的兩端，驅動通道內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度有關。COMSOL Multiphysics 內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輸運和擴散，使用模擬計算進行流體通道拐彎處幾何優(yōu)化，可以將彎曲引起的溶質彌散降至最低程度。

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差異造成的作用力。介電泳作用力會將介電常數小于溶劑的顆粒拉往電場強度較低的地方。另外介電泳力的大小還與顆粒半徑有關，所以介電泳常被用來分離大小不同的顆?；蚣毎?。設計介電泳器件，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，表面張力都有關系。利用兩相流模擬方法能夠準確模擬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品等因素，了解它們如何影響液滴大小及形成。

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。

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，當施加一定的電壓能使接觸角變小。通過電極的設計和不對稱施加電場，就能定向操控液滴的運動。電浸潤的另一種應用場景是制作變焦透鏡，通過電壓調節(jié)液滴表面的曲率實現(xiàn)透鏡曲率的調節(jié)。

7.馬蘭格尼效應

馬蘭格尼（Marangoni）效應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是非常經典的流體力學研究領域。液滴蒸發(fā)過程中一種馬蘭格尼效應產生的機理是這樣的：蒸發(fā)蒸發(fā)產生的吸熱效應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，導致了表面溫度不同，溫度梯度造成了表面張力的梯度進而形成馬蘭格尼效應。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

在微流控和親疏水浸潤性領域，許多過程都能進行仿真模擬，通過模擬能幫助優(yōu)化器件設計，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)質科研成果。