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)的說服力是否足夠強(qiáng)大。實驗結(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)，讓你的實驗結(jié)果從此告別“差強(qiáng)人意”，高影響因子不是夢！

在當(dāng)今的高檔次科研論文中我們能夠見到許多都使用到了仿真模擬來闡述科學(xué)問題。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。有限元方法原理簡單的說，就是通過將要模擬的實體結(jié)構(gòu)劃分為有限個單元，每一個單元都用一組方程去描述，聯(lián)立所有這些方程組并求解，就能得到模擬對象整個的物理量分布。要得到足夠精確的解，需要劃分?jǐn)?shù)量較多的單元，這樣計算量就會非常大，需要借助計算機(jī)的計算能力才能得到結(jié)果。

隨著有限元理論的發(fā)展和計算機(jī)計算能力的進(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題，在高檔次學(xué)術(shù)期刊中，運用有限元方法的文章也越來越多了。接下來我們就來看看納米材料科學(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)域做了許多開創(chuàng)性的工作。通過力學(xué)設(shè)計將硬質(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一例外都使用了有限元方法向來模擬器件在拉伸過程中的應(yīng)力應(yīng)變。通過有限元方法的理論力學(xué)分析深刻的闡述了器件設(shè)計中的學(xué)科原理。另外在熱門領(lǐng)域柔性太陽能電池的設(shè)計中，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)是又一個熱門研究領(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程。模擬結(jié)果方法文章中可以清楚的展示器件在傳感過程中的電場或電流變化，說明了器件的工作原理，并且模擬計算數(shù)據(jù)可以和實驗測得數(shù)據(jù)相互印證。王中林院士的研究團(tuán)隊就在他們的納米發(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。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。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

超材料就是通過人工構(gòu)造的周期性結(jié)構(gòu)使得材料具有實現(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。同過超材料能實現(xiàn)光學(xué)隱身、全相位相片、超級透鏡等特殊的光學(xué)效果。在設(shè)計超材料的過程當(dāng)中理論上的模擬計算當(dāng)然是必不可少的，有限元方法則是模擬計算中最常用的數(shù)值計算方法。

五、光電器件

通過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的現(xiàn)象，幫助我們解決光電器件設(shè)計中的諸多問題。

總結(jié)

可見有限元模擬應(yīng)用廣泛，掌握有限元模擬方法可以說一種通用的科研技能。

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