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微流控

微流控（Microfluidics），是一种精确控制和操控微尺度流体，尤其特指亚微米结构的技术，又称其为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)或微流控芯片技术。是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。这里我们选取了近期发表一些在Nature正刊及子刊上的微流控领域高水平文章。

01 Nature 585, 211–216 (2020).

与微流体共同设计电子设备，实现更可持续的冷却

热管理是电子产品未来的主要挑战之一。随着数据生成和通信速率的不断提高，以及不断努力减少工业转换器系统的尺寸和成本，电子产品的功率密度已经提高。因此，具有巨大能量和水消耗的冷却对环境的影响越来越大，需要新技术以更可持续的方式提取热量，即需要更少的水和能源。将液体冷却直接嵌入芯片内部是一种更有前途的方法，可实现更高效的热管理。但是，即使采用最先进的方法，电子设备和冷却系统也要分开处理，从而无法充分发挥嵌入式冷却系统的全部节能潜力。在这里，我们表明，通过在同一半导体衬底内共同设计微流体和电子器件，我们可以生产出单片集成的歧管微通道冷却结构，其效率超出了目前的效率。我们的结果表明，仅使用每平方厘米0.57瓦的泵送功率就可以提取超过1.7千瓦/平方厘米的热通量。我们发现，单相水冷式热通量超过每平方厘米1千瓦时，性能系数达到了前所未有的水平（超过10,000），相较于直的微通道，它增加了50倍，平均Nusselt数也很高，为16。提议的冷却技术应能使电子设备进一步小型化，从而有可能扩展摩尔定律并大大降低电子设备冷却过程中的能耗。此外，通过消除对大型外部散热器的需求，这种方法应该能够实现集成在单个芯片上的非常紧凑的功率转换器。

图. 微流体冷却电气设备

图. 微通道冷却配置

02 Nature 581, 58–62 (2020).

无固体壁的液体流动和控制

在微流控器件中，当使流体通道小型化时，流体通道的固体壁变得越来越重要，因为它们限制了给定压力下可达到的流速，通道越小，流速越弱，或者需要更大的压力。已报道的减少壁相互作用的方法包括疏水涂层，注入液体的多孔表面，纳米粒子表面活性剂的干扰，表面电子结构的变化，电润湿，表面张力钉扎以及使用原子上平坦的通道。更好的解决方案是完全避免使用固体的墙壁。液滴微流体和鞘流可以实现这一点，但是需要中心液体和周围液体的连续流动。在这篇最新的Nature文章中演示了一种方法，其中水性液体通道被不混溶的磁性液体包围，两者均由四极磁场稳定。这创建了自修复，不阻塞，防污和近无摩擦的液体中液体流体通道。现场的操纵可提供流量控制，例如阀门，分流，合并和泵送。后者是通过移动与液体通道没有物理接触的永磁体来实现的。实验表明，这种磁流泵方法可用于运输全人类血液，并且可以减小剪切力而造成的损害。与传统的蠕动泵相比，溶血（血细胞破裂）减少了一个数量级（在传统的蠕动泵中，血液通过塑料管被机械地挤压）。文章中的磁性液体方法提供了输送微弱液体的新方法，特别是在将通道缩小到微米级且不需要高压的情况下，突破了传统微流体通道的限制。

图.无壁面流体通道中的磁流体通道

图. 磁力混合，阀门和泵送

03 Nat Commun 11, 5416 (2020).

淀粉样原纤维液晶触觉流诱导的有序转变

在各向同性和向列相共存的相图区域内，通过成核和生长而形成的液晶小滴（也称为触针），由于各向异性表面边界在很小的界面张力下逐渐消失，导致复杂的非球形形状，挑战了我们对受限液晶的理解。关于它们的动力学性质知之甚少，因为它们大多是在静态，准平衡条件下研究的。在这里，我们表明，不同类别的淀粉样蛋白的向列型和胆甾型触觉体会因流动引起的形状变形而经历顺序变化。触针在延伸流下排列，经历极度变形，形成高度细长的扁长形状，胆甾醇间距随着触针长宽比的倒数幂律而减小。自由能泛函理论和实验测量相结合以合理化上述临界伸长率，触针的导向场构型从双极性和单轴胆甾型转变为均相，并讨论了这些转变的热力学性质。

图.微流控芯片可将不同类别的类固醇暴露于扩展流

04 Nat Commun 11, 5271 (2020).

自动化微流控平台，用于肿瘤类器官的动态和组合药物筛选

三维（3D）细胞培养技术（例如类器官）是用于基本和临床应用的生理相关模型。自动化微流体技术在细胞的高通量和精密分析方面具有优势，但尚未与类器官相容。在这里，我们介绍了一种自动化的，高通量的微流体3D类器官培养和分析系统，以促进临床前研究和个性化治疗。我们的系统为数百种文化提供组合和动态药物治疗，并能够对类器官进行实时分析。我们通过对源自人类的胰腺肿瘤类器官进行单独，组合和顺序的药物筛选来验证我们的系统。我们观察到个体患者类器官对药物治疗的反应存在显着差异，并且发现临时修饰的药物治疗比恒剂量单一疗法或体外联合疗法更有效。该集成平台提高了类器官模型，以筛选和镜像实际的患者治疗过程，并有可能促进个性化治疗的治疗决策。

图.自动化的微流体3D细胞和类器官培养平台，

用于动态药物扰动

05 Nat Commun 11, 4714 (2020).

多重流磁镊子以单分子精度揭示罕见的酶促事件

在单分子水平上施加力和扭矩已经改变了我们对生物分子动力学特性的理解，但是由于产量有限，稀有中间体仍然难以表征。在这里，我们描述了一种方法，该方法通过拓扑控制在力谱测量的吞吐量方面提供了100倍的改进，该方法可以实现50,000个单分子的常规成像和1亿个并行反应周期。这种改进使得能够检测电池生命周期中的罕见事件。作为演示，我们表征了拓扑异构酶的超螺旋动力学和药物诱导的DNA断裂中间体。为了快速量化动态行为和罕见事件的不同类别，我们开发了具有自动功能分类管道的软件平台。该方法和软件可以很容易地适用于各种复杂的多步酶促途径的研究，其中稀有中间体由于产量有限而无法通过分类。

图.磁流式镊子的原理

06 Nat Commun 11, 5545 (2020).

合成双稳态电路对形态发生梯度的解释

在发育过程中，细胞通过动态形态发生子梯度的解释获得位置信息。提出的解释相反的形态发生子梯度的机制是下游转录因子的相互抑制，但是如何在天然网络中分离该特定基序的作用仍然是一个挑战。在这里，我们在大肠杆菌群体中设计了合成的形态发生子诱导的互抑制电路，并证明了单独的互抑制足以响应动态形态发生子梯度产生稳定的基因表达域，只要形态发生子的空间平均值落在单细胞水平的双稳态范围内。当我们添加发送器设备时，响应于单个梯度，所得的构图电路会产生理论上预测的自组织基因表达域。我们开发了参数化为时程荧光数据的合成电路的计算模型，为在细胞群体中工程化子诱发的空间模式提供了理论和实验框架。

图.用于形态发生解释的合成基因电路

以上文章的共同点，就是都在文章中使用了COMSOL仿真模拟。仿真模拟在解释新现象背后的原理方面有着不可替代的作用。通过理论建模和计算得到的结论，并和实验观察到的现象相互应证是许多高档次论文的都需要的部分。而COMSOL由于其强大而全面的功能，现在是广大科研人员首选的数值模拟软件。

如今在高档次文章中结合COMSOL仿真模拟来解释科学问题，展示物理机制的方式已经变得越来越常见。特别是对于这种机理解释型文章，一些仿真模拟可以说是必不可少的。

为了让更多科研人员能够迅速且科学地掌握这一前沿高效的数据分析软件，北京中科幻彩动漫科技有限公司举办主题为“科研模拟学术仿真”的文章档次提升专题培训！！！

科研模拟·学术仿真专题培训会

2020年11月21-22日广州·华南师范大学

2021年01月09-10日广州·华南师范大学

2021年01月16-17日北京·中科院物理所

流体及传质传热力学仿真专题

2020年12月19-20日北京·中科院物理所

光电领域多物理场仿真专题

2020年12月26-27日北京·中科院物理所

（专题培训介绍及报名详见后文）

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

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。

光电领域多物理场仿真专题培训

COMSOL多物理场仿真的基本建模方法和多物理场耦合模型分析；

硅波导器件的仿真计算；

光子晶体能带计算和散射体的散射等计算；

等离子体光栅结构和超构材料设计(透射反射和吸收以及S参数计算)；

非线性材料中电磁波传播；

交叉领域中光学仿真(包含光催化领域和生物光子器件等);

学员感兴趣的其他光电领域计算。

更多专题培训内容简介及报名请戳链接

光电领域多物理场仿真专题培训

流体及传质传热力学仿真专题培训

COMSOL多物理场仿真的基本建模方法；

微流控器件中的流场计算；

流体中的传质传热及化学反应模拟；

流体中的颗粒运动模拟，实现细胞的分离和筛选；

多相流，流体亲疏水浸润性行为，液滴行为模拟，Marangoni 效应模拟；

固体力学及流体-结构力学耦合模拟。

更多专题培训内容简介及报名请戳链接

流体及传质传热力学仿真专题培训

参加过科研模拟·学术仿真专题培训的学员

只需1999元即可参加专题培训

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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

电化学电流密度分布模拟

电容计算

光学环形谐振腔滤波器

光子晶体带隙分析

化学反应浓度分布模拟

结果应力应变模拟

金属颗粒光散射

流固耦合

流体传热多物理场

热应力形变模拟

水的蒸发冷却

微流体多相流

相场法模拟枝晶生长

压顶换能器

蒸发通量模拟

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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 / Dr. Wang

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》

……

12年化学/材料/物理/工程/生物仿真模拟经验

300+通过模拟显著提升文章档次的案例

课

程

福

利

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

学员培训感受

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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：相当于三日的课时集中安排在两日的早中晚进行授课，课程内容更加丰富，学习节奏更加紧凑。

★特色六：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：

2020年11月21-22日 广州·华南师范大学

2021年01月09-10日 广州·华南师范大学

2021年01月16-17日 北京·中科院物理所

流体及传质传热力学仿真专题

2020年12月19-20日 北京·中科院物理所

光电领域多物理场仿真专题

2020年12月26-27日 北京·中科院物理所

（专题培训介绍及报名详见前文）

注册费用：

原价：2995元/人

团报价：2795元/人（3人及以上）

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

表单报名如出现异常，请联系助教

Tel: 15954129386（微信同号）

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缴费方式

1.银行转账汇款（由济南分公司代收）

收款单位：北京中科幻彩动漫科技有限公司济南分公司

银行账号：15126701040003321

开户行：中国农业银行股份有限公司济南茶城支行

备注：姓名+单位+场次

2.支付宝转账

企业支付宝账户：[email protected]

请核对户名：北京中科幻彩动漫科技有限公司济南分公司

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。

END

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中国科学院物理研究所高鸿钧院士

经过多年研究攻关，中国科学院院士、中科院物理研究所研究员高鸿钧团队在世界上首次实现了原子级精准控制的石墨烯折叠，其成果发表在了国际顶级杂志Science上，这是目前世界上最小尺寸的石墨烯折叠，对构筑量子材料和量子器件等具有重要意义。

北京航空航天大学张广军院士

列车弓网运行状况在线动态检测系统-北京航空航天大学张广军院士团队研制了列车运行状况正线动态测试站三类系列测试设备，填补国内空白，主要性能指标达到或超过国外主流产品，满足了我国铁路运输的迫切需求。

北京纳米能源与系统研究所王中林院士

北京纳米能源与系统研究所王中林院士和李舟研究员领导的研究团队与北京市生物医学工程高精尖创新中心和海军军医大学的研究者联合研制了共生型心脏起搏器（SPM, symbiotic cardiac pacemaker），它可以从心脏跳动中获取能量，为起搏器自身提供电能。SPM的能量收集部分为植入式摩擦电纳米发电机（iTENG），其具有出色的柔性、良好的生物相容性、优异的稳定性和生物体内高功率输出性能等特点。在未来，植入式医疗电子设备可以利用人体能量实现自驱动。

中国科学院化学研究所刘云圻院士

作为材料学领域的后起之秀，石墨烯被认为是电子器件理想的候选材料，在近期发布的2020十大科学趋势预测当中，石墨烯有望成为碳电子学的主体材料。作为中国石墨烯研究领域的权威学者，中国科学院院士刘云圻利用化学气相沉积法合成氮掺杂石墨烯并对其电学性质进行了研究，发现氮掺杂可以有效地影响石墨烯的电学性质，极大地推动了石墨烯的研究与应用。

中国科学院微电子研究所刘明院士

中国科学院微电子研究所刘明院士团队从能带工程出发，引入新材料/结构，综合优化CTM隧穿层/俘获层/阻挡层，实现低压、高速、长数据保持和多值存储。在实验室工作的基础上，2008年开始与产业界合作研发纳米晶闪存，在生产平台上首次完成纳米晶存储器系统研究；获得自主产权纳米晶存储技术整体解决方案，解决了纳米晶存储材料分布均匀、存储器物理模型仿真、集成工艺、可靠性及芯片集成等技术难题。

中国科学院物理研究所柳延辉研究员

中国科学院物理研究所柳延辉研究组与合作者基于材料基因工程理念开发了具有高效性、无损性、易推广等特点的高通量实验方法，设计了一种Ir-Ni-Ta-(B)合金体系，获得了高温块体金属玻璃，其玻璃转变温度高达1162 K。新研制的金属玻璃在高温下具有极高强度，1000 K时的强度高达3.7千兆帕，远远超出此前报道的块体金属玻璃和传统的高温合金。

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