介電泳的案例
電場可以控制中性粒子的運動嗎？
這聽起來似乎是不可能的，但在這篇文章中，您會看到介電泳（DEP）現(xiàn)象可以解決這個難題。我們將學(xué)習(xí)如何利用介電泳進(jìn)行顆粒分離，并演示一個簡單的生物醫(yī)學(xué)仿真 App，該 App 是使用 App 開發(fā)器創(chuàng)建的，通過 COMSOL Server? 運行。
在非均勻靜電場中粒子所受的力
在直流和交流場中，都會發(fā)生介電泳效應(yīng)。我們先來看看直流的情況。
考慮一個浸入流體中的介電粒子。另外，假設(shè)存在一個施加到流體-顆粒系統(tǒng)的外部靜態(tài)(DC)電場。在這種情況下，只要粒子的介電常數(shù)高于周圍流體的介電常數(shù)，粒子就會從弱電場區(qū)域被拉到強(qiáng)電場區(qū)域。如果粒子的介電常數(shù)低于周圍流體，那么情況正好相反，粒子會被拉到弱電場區(qū)域。這些效應(yīng)分別被稱為
正介電泳 (pDEP)和負(fù)介電泳 (nDEP)
。
下面兩幅圖片分別演示了這兩種情況，并將幾個重要的量可視化：
電場
麥克斯韋應(yīng)力張量（表面力密度）
正介電泳(pDEP)的示意圖，粒子介電常數(shù)高于周圍流體的介電常數(shù) 。
負(fù)介電泳(nDEP)的示意圖，粒子介電常數(shù)低于周圍流體的介電常數(shù) 。
麥克斯韋應(yīng)力張量代表粒子表面的局部力場。為了使這個應(yīng)力張量能夠代表作用在粒子上的力，流體需要是“簡單的”，也就是它不應(yīng)該表現(xiàn)出太復(fù)雜的機(jī)械行為。假設(shè)流體是簡單的，我們可以從上面的插圖中看到，在 pDEP 和 nDEP 這兩種情況下，粒子上的凈力看起來是方向相反的。對表面力進(jìn)行積分確實會出現(xiàn)這種情況。
事實證明，如果我們把粒子縮小，例如一個無限小的情況，一個非常小的粒子在流體中像偶極子一樣運動，那么凈力是電場平方梯度的函數(shù)。
為什么凈力會有這樣的表現(xiàn)？為了理解這一點，我們來觀察在粒子表面的一個點上會發(fā)生什么。
展開 細(xì)胞分離過程數(shù)值仿真 ￥1000
<p>介電泳（dielectrophoresis or DEP)，也稱雙向電泳， 是介電常數(shù)較低的物體在非勻強(qiáng)電場中受力的現(xiàn)象。介電力大小與物體是否帶電無關(guān)，與物體的大小、電學(xué)性質(zhì)、周圍介質(zhì)的電學(xué)性質(zhì)以及外加電場的場強(qiáng)、場強(qiáng)變化率、頻率有關(guān)。Herbert Pohl在上世紀(jì)50年代發(fā)表了第一篇關(guān)于雙向電泳的文章，最近由于這一現(xiàn)象對于微小粒子的可操縱性又成為了熱門的研究領(lǐng)域。Pohl在他的書中對于雙向電泳的定義是中性物質(zhì)由于在非勻強(qiáng)場中的極化作用而產(chǎn)生運動的現(xiàn)象。由于介電泳成本低，科學(xué)上正在研究用介電泳來操作細(xì)胞，DNA，蛋白質(zhì)，以此來取代光探針（optical tweezer)或磁探針（magnetic tweezer)。</p><p>本案例基于介電泳原理仿真了對細(xì)胞進(jìn)行操縱，并將不同細(xì)胞進(jìn)行分離的過程。</p><p>未考慮介電泳下，細(xì)胞混合在一起，無法分離，如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202109/95311cb88ea348b4b772052b80606ef9.gif" alt="Untitled1.gif"></p><p>考慮介電泳下，細(xì)胞發(fā)生偏轉(zhuǎn)分離，如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202109/db2e4f612a3d465f9cc0684e24092ea6.gif" alt="Untitled2.gif"></p><p>感興趣的朋友可下載模型源文件，詳細(xì)了解，也可以在此基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的課題內(nèi)容進(jìn)行拓展研究分析。</p><p><br></p><p><br></p>
展開 后NAND時代，探索基于液體的超高密度存儲器
Imec 研究人員正在從理論上和實驗上探索使用頻率相關(guān)介電泳作為寫入機(jī)制的可行性。按照這種機(jī)制，跨電極產(chǎn)生的交變電場對納米顆粒施加力。
這種力是吸引力還是排斥力取決于粒子的類型和誘發(fā)電場的頻率等。可以通過選擇對所施加頻率(吸引與排斥)響應(yīng)不同的兩個粒子來創(chuàng)建選擇性寫入過程。
膠體記憶技術(shù)處于研發(fā)探索階段。第一組采用不同配置(包括叉指(interdigital)和棋盤排列陣列(checkboard arranged arrays))的 μm 尺寸電極的實驗標(biāo)志著第一個里程碑。利用介電泳(dielectrophoresis)效應(yīng)，他們展示了從混合溶液中選擇性提取聚苯乙烯納米粒子的可行性。但所需的技術(shù)仍需要重大發(fā)展。正在進(jìn)行進(jìn)一步的研究以微調(diào)該概念并提供納米級的第一個原理證明。
圖4.寫入過程的演示：(熒光)聚苯乙烯納米粒子被棋盤排列中的電極產(chǎn)生的交變電場吸引。
電石存儲器：利用電化學(xué)
與膠體存儲器一樣，電石存儲器也使用流體儲存器和capillaries陣列。但在這種情況下，金屬離子溶解在液體中，讀寫操作是通過更傳統(tǒng)的電沉積和溶解技術(shù)來實現(xiàn)的。
更詳細(xì)地，儲液器包含其中溶解有(至少)兩種金屬離子(A和B)的流體。該儲層連接到一系列capillaries(或孔)。工作電極(由惰性金屬如釕 (Ru) 制成)位于每個毛細(xì)管的底部。儲存器也與單個反電極接觸。
展開 用長纖維制造的微流體設(shè)備可用于化學(xué)或生物醫(yī)學(xué)測試和研究
這些是可以操縱細(xì)胞的例子，使用一種稱為介電泳的方法，其中不同細(xì)胞受到通道兩側(cè)兩根導(dǎo)電線之間產(chǎn)生的電場的不同影響。
“利用這些微通道中的導(dǎo)線，人們可以控制電壓，在高流速下推拉細(xì)胞完成分離，”Voldman說。
作為演示，研究小組制作了一種長通道光纖裝置，用于分離細(xì)胞，將死細(xì)胞與活細(xì)胞分類，并證明了它在完成這項任務(wù)中的效率。Yuan說，隨著進(jìn)一步的發(fā)展，他們希望能夠在不同類型細(xì)胞之間進(jìn)行更細(xì)微的區(qū)分。
“對我來說，這是一個很好的例子，由研究生發(fā)起和領(lǐng)導(dǎo)在RLE等跨學(xué)科實驗室，研究小組之間的相互作用引發(fā)了一個突破性的研究。“我們的老師基本上被我們的學(xué)生拖累了，”Fink說。
" 研究人員強(qiáng)調(diào)，他們不認(rèn)為這種新方法現(xiàn)在可替代微流體，在很多方面都有很好應(yīng)用。"Voldman說，"這并不意味著要取代'現(xiàn)有的方法'，允許一些以前沒有可能使用的特定功能的新功能。"
展開 
CFD-ACE+軟件介紹
(所有類型，例如等速電泳法，等電聚焦)
· 介電泳
· 電鍍
· 磁－流體動力學(xué)
有限元應(yīng)力/變形和結(jié)構(gòu)動力學(xué)模塊
· 選擇單元類型線性，等參元)
· 剪切鎖定的殼單元
· 接觸模型
· 線性和幾何非線性彈性
· 壓電
· 熱彈性
· 模態(tài)分析
· 各向異性材料屬性
靜電模塊(ESTAT)
· 有限體積法(FVM)求解器
· 自由空間的邊界元（BEM）求解器
· 直流和交流場
· 電流連續(xù)方程
· 電熱效應(yīng) (焦耳熱)
· 熱電作用 (例如TEC 冷卻器)
電磁模塊(EMAG)
· 有限體積法(FVM)求解器
· 全麥克斯韋方程勢形式(電標(biāo)勢－磁矢勢)
· 時域
· 頻域
· 所有頻率段(RF, MMW, 光譜)
· 天線，波導(dǎo)，感應(yīng)器，互連，衍射單元
等離子物理模塊
· 等離子化學(xué)，電磁學(xué)，離子和中子傳輸，傳熱的完全耦合
· 感應(yīng)耦合等離子體(ICP)
· 電容耦合等離子體(CCP)
· 直流 (DC)
· 動能模型
微電子，光電子(SEMI, O'SEMI)模塊
· 半導(dǎo)體裝置的全面物理特性
· 漂移擴(kuò)散和能量平衡形式
· 進(jìn)位和格子的能量方程
· 硅CMOS和化合物半導(dǎo)體模型
· 光電裝置的光子密度和光學(xué)模擬(VCSELs EELs, MSMs)
· 鈉電子學(xué)和彈道設(shè)備的波爾茲曼輸送方程(BTE)
· 輻射強(qiáng)化效應(yīng)(離子觸發(fā)，離子放電，single event upsets,總劑量)
計算醫(yī)學(xué)和生物學(xué)(CMB)模塊
· 內(nèi)含的的微毛細(xì)管網(wǎng)
· 具有薄膜感受器的細(xì)胞膜模型
· 薄膜信號模型
· 新陳代謝和信號發(fā)射路徑
· 電池循環(huán)模型
· 細(xì)菌趨藥性
· 腫瘤動力學(xué)和血管造影術(shù)
· 射頻切除, 高熱療法模型
· 電穿孔
· 藥物輸送
展開 COMSOL Multiphysics在鋰離子電池中的應(yīng)用（下）
其次是物理場相關(guān)：heat transfer(傳熱)、mass transfer(傳質(zhì))、natural convection(自然對流)、electric field(電場)、magnetic field(磁場)、dielectrophoresis(介電泳)、stress(應(yīng)力)等。再次是學(xué)科領(lǐng)域相關(guān)：computational fluid dynamic(計算流體動力學(xué))、Li-Ion Battery(鋰離子電池)、microelectromechanical system(微機(jī)電系統(tǒng))、energy harvesting(能量收集)、microfluidics(微流體)、sensor(傳感器)等，展現(xiàn)了軟件的熱門研究方向；注意到，其中鋰離子電池占著很大的比重。因此，將文獻(xiàn)檢索范圍縮小到鋰離子電池領(lǐng)域，如圖11(d)所示。紅色聚類出現(xiàn)的關(guān)鍵詞：thermal runaway(熱失控)、heat-transfer(傳熱)、optimization(極化)等；綠色聚類出現(xiàn)的關(guān)鍵詞：deposition(沉積)、Li metal anode(鋰金屬負(fù)極)、electrodeposition(電沉積)、solid electrolyte interface(固體電解質(zhì)界面)等；藍(lán)色聚類出現(xiàn)的關(guān)鍵詞：Li-ion(鋰離子)、diffusion(擴(kuò)散)、transport(傳輸)、charge(充電)、discharge(放電)、capacity fade(容量衰減)等。因此，當(dāng)前軟件主要聚焦于鋰離子電池中出現(xiàn)的熱失控、鋰枝晶生長、正極容量衰減、電解質(zhì)內(nèi)的鋰離子傳輸?shù)染唧w問題。相較于圖9(c)，圖9(d)涉及的有關(guān)物理場的關(guān)鍵詞有所減少，說明COMSOL Multiphysics在鋰離子電池中的應(yīng)用仍具有較大的開發(fā)潛力，仍有很大的應(yīng)用和研究空間。
展開 模擬流體中的粒子運動時，選擇合適的公式以提升計算效率
下面是 COMSOL 官網(wǎng)案例庫中使用牛頓型，忽略慣性項公式來追蹤長求解時間內(nèi)的很小的粒子的示例：
層流靜態(tài)混合器中的粒子軌跡
使用介電泳從紅細(xì)胞中分離血小板
因為粒子足夠大以致于慣性對粒子運動產(chǎn)生重大影響，所以下示例使用了牛頓型公式：
微混合器中的顆粒跟蹤
污染物顆粒造成的管道沖蝕
結(jié)語
當(dāng)使用流體流動接口的粒子追蹤來模擬流體中的小顆粒的運動時，通常應(yīng)從計算與粒子相關(guān)的拉格朗日時間尺度 τ_p 開始，
并將此時間尺度與我們要模擬的求解時間范圍進(jìn)行比較。
如果具有不同粒徑的分布，請基于最小粒徑進(jìn)行此估算，因為模型中最小慣性粒子決定了運動方程的數(shù)值剛度。
如果要在比速度響應(yīng)時間大得多的時間范圍內(nèi)預(yù)測粒子運動（比如說幾千倍甚至更多倍），則應(yīng)該考慮慣性是否實際上在粒子運動中起著重要作用。如果不是，則可以從列表中選擇牛頓型，忽略慣性項（從 5.6 版本開始可用）。
如果仍要考慮慣性，則可以使用牛頓型或牛頓型，一階公式。但是，請注意，要求解的方程組是數(shù)值剛性的，我們可能需要手動減小求解器采取的時間步的大小，以防止粒子位置和速度發(fā)生非物理振蕩。
本文內(nèi)容來自 COMSOL 博客
展開 《Science》子刊：填補(bǔ)近30年空白！實現(xiàn)晶圓級2D碳納米管液晶
利用溶液法制備納米管陣列和其他各向異性粒子的方法，例如：使用剪切真空過濾、定向蒸發(fā)、介電電泳、蒸發(fā)自組裝、彈性釋放、尺寸限制自對準(zhǔn)、DNA定向組裝、Langmuir-Blodgett和Langmuir-Schaefer等，前人都進(jìn)行了研究。然而，在這些方法在滿足半導(dǎo)體電子工業(yè)的需要之前，還需要進(jìn)行更多的研究。例如，需要特別大的剪切速率來實現(xiàn)納米管薄膜的沉積，即使是相對較差的準(zhǔn)對齊的塊狀墨水溶液，蒸發(fā)自組裝是一個緩慢的過程，導(dǎo)致密集的納米管咖啡環(huán)，很難進(jìn)行有效的靜電柵極。除了對齊之外，尤其重要的是實現(xiàn)晶圓尺度上的均勻性，以及在中間納米管填充密度約為100 μm-1的情況下實現(xiàn)部分單層覆蓋。
廣泛地說，納米粒子在溶液中
在液體界面上的自組裝，為制備超分子和二維納米結(jié)構(gòu)提供了一條有吸引力的途徑。這種組裝是高度動態(tài)的，能夠快速糾正缺陷，而不是直接在基片上組裝和沉積。納米粒子在液/液界面的吸附會使液/液界面能最小化，納米粒子的大小、界面張力和粒子表面潤濕性都會影響界面吸附。
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