導(dǎo)讀：提高文章中稿率、沖高影響因子的關(guān)鍵，在于數(shù)據(jù)的說(shuō)服力是否足夠強(qiáng)大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想，數(shù)據(jù)不夠完美，論文內(nèi)容缺乏支撐，這些問(wèn)題有限元仿真模擬都可以輕松解決。幫助文章輕輕松松更上一區(qū)，讓你的實(shí)驗(yàn)結(jié)果從此告別“差強(qiáng)人意”，高影響因子不是夢(mèng)！

在當(dāng)今的高檔次科研論文中我們能夠見(jiàn)到許多都使用到了仿真模擬來(lái)闡述科學(xué)問(wèn)題。而這些仿真模擬大多基于有限元方法。今天我們就給大家介紹一下有限元方法及其在材料科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

有限元是有限元方法（FiniteElement Method）或有限元分析（Finite Element Analysis）的簡(jiǎn)稱。有限元方法最早在1952年被提出，早期主要應(yīng)用于力學(xué)領(lǐng)域，用于建筑、飛行器等工程領(lǐng)域的力學(xué)仿真模擬。有限元方法原理簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是通過(guò)將要模擬的實(shí)體結(jié)構(gòu)劃分為有限個(gè)單元，每一個(gè)單元都用一組方程去描述，聯(lián)立所有這些方程組并求解，就能得到模擬對(duì)象整個(gè)的物理量分布。要得到足夠精確的解，需要?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)量較多的單元，這樣計(jì)算量就會(huì)非常大，需要借助計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力才能得到結(jié)果。

隨著有限元理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的進(jìn)步，今天的有限元方法早已經(jīng)不限于力學(xué)領(lǐng)域，有限元方法已經(jīng)發(fā)展為一種普適的數(shù)值計(jì)算方法，能夠求解各種類型的偏微分方程，在力學(xué)、流體、電磁學(xué)、光學(xué)、電化學(xué)、半導(dǎo)體、化工、聲學(xué)等幾乎所有的學(xué)科領(lǐng)域有限元方法都有它的用武之地。納米材料科學(xué)領(lǐng)域也不例外，已經(jīng)有許多的國(guó)內(nèi)外研究人員在使用有限元方法幫助他們解決科研中遇到的問(wèn)題，在高檔次學(xué)術(shù)期刊中，運(yùn)用有限元方法的文章也越來(lái)越多了。接下來(lái)我們就來(lái)看看納米材料科學(xué)領(lǐng)域有限元方法都是怎么使用的。

一、柔性電子領(lǐng)域

美國(guó)西北大學(xué)John A.Rogers 和黃永剛教授在柔性電子領(lǐng)域做了許多開(kāi)創(chuàng)性的工作。通過(guò)力學(xué)設(shè)計(jì)將硬質(zhì)的硅基材料制備成可拉伸的柔性器件。他們的這些文章中無(wú)一例外都使用了有限元方法向來(lái)模擬器件在拉伸過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變。通過(guò)有限元方法的理論力學(xué)分析深刻的闡述了器件設(shè)計(jì)中的學(xué)科原理。另外在熱門(mén)領(lǐng)域柔性太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)中，有限元模擬在優(yōu)化器件彎折性能上也有起著不可替代的作用。

二、傳感器領(lǐng)域

可穿戴柔性傳感技術(shù)是又一個(gè)熱門(mén)研究領(lǐng)域。這類傳感器件主要分布電阻型、電容型、壓電型。無(wú)論是以上哪一類我們都可以用有限元方法模擬器件的工作過(guò)程。模擬結(jié)果方法文章中可以清楚的展示器件在傳感過(guò)程中的電場(chǎng)或電流變化，說(shuō)明了器件的工作原理，并且模擬計(jì)算數(shù)據(jù)可以和實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)相互印證。王中林院士的研究團(tuán)隊(duì)就在他們的納米發(fā)電器件研究文章中大量使用了有限元模擬。

三、微流控領(lǐng)域

微流控是一門(mén)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。微流控器件的設(shè)計(jì)過(guò)程中往往涉及到對(duì)多個(gè)物理過(guò)程的理解，包括流體在特定通道內(nèi)的流場(chǎng)分布、不混溶兩相流體的流動(dòng)的控制、溶質(zhì)在微流控通道內(nèi)的輸運(yùn)和擴(kuò)散、以及流體在電場(chǎng)、光場(chǎng)或聲場(chǎng)這類外場(chǎng)作用下的響應(yīng)。理解這些物理因素的相互作用是設(shè)計(jì)微流控器件的關(guān)鍵。所以在實(shí)驗(yàn)上制備微流控器件之前，先通過(guò)理論上建模仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)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。目前微流控領(lǐng)域以及液滴親疏水浸潤(rùn)性方面幾個(gè)熱點(diǎn)研究方向我們都能通過(guò)有限元分析進(jìn)行仿真模擬。

四、超材料領(lǐng)域

超材料就是通過(guò)人工構(gòu)造的周期性結(jié)構(gòu)使得材料具有實(shí)現(xiàn)通常狀態(tài)下材料不可能具有的屬性，例如負(fù)折射率、負(fù)磁導(dǎo)率等。同過(guò)超材料能實(shí)現(xiàn)光學(xué)隱身、全相位相片、超級(jí)透鏡等特殊的光學(xué)效果。在設(shè)計(jì)超材料的過(guò)程當(dāng)中理論上的模擬計(jì)算當(dāng)然是必不可少的，有限元方法則是模擬計(jì)算中最常用的數(shù)值計(jì)算方法。

五、光電器件

通過(guò)有限元方法我們可以模擬光子晶體、光波導(dǎo)，諧振腔，表面等離子體共振、光散射等等光電器件中常見(jiàn)的現(xiàn)象，幫助我們解決光電器件設(shè)計(jì)中的諸多問(wèn)題。

總結(jié)

可見(jiàn)有限元模擬應(yīng)用廣泛，掌握有限元模擬方法可以說(shuō)一種通用的科研技能。

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