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).
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。
02 Nature 581, 58–62 (2020).
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。
03 Nat Commun 11, 5416 (2020).
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。
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).
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。
06 Nat Commun 11, 5545 (2020).
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。
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。
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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
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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。
