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在当今的高档次科研论文中我们能够见到许多都使用到了仿真模拟来阐述科学问题。而这些仿真模拟大多基于有限元方法。今天我们就给大家介绍一下有限元方法及其在材料科学等相关领域中的应用。

有限元是有限元方法（FiniteElement Method）或有限元分析（Finite Element Analysis）的简称。有限元方法最早在1952年被提出，早期主要应用于力学领域，用于建筑、飞行器等工程领域的力学仿真模拟。有限元方法原理简单的说，就是通过将要模拟的实体结构划分为有限个单元，每一个单元都用一组方程去描述，联立所有这些方程组并求解，就能得到模拟对象整个的物理量分布。要得到足够精确的解，需要划分数量较多的单元，这样计算量就会非常大，需要借助计算机的计算能力才能得到结果。

随着有限元理论的发展和计算机计算能力的进步，今天的有限元方法早已经不限于力学领域，有限元方法已经发展为一种普适的数值计算方法，能够求解各种类型的偏微分方程，在力学、流体、电磁学、光学、电化学、半导体、化工、声学等几乎所有的学科领域有限元方法都有它的用武之地。纳米材料科学领域也不例外，已经有许多的国内外研究人员在使用有限元方法帮助他们解决科研中遇到的问题，在高档次学术期刊中，运用有限元方法的文章也越来越多了。接下来我们就来看看纳米材料科学领域有限元方法都是怎么使用的。

一、柔性电子领域

美国西北大学John A.Rogers 和黄永刚教授在柔性电子领域做了许多开创性的工作。通过力学设计将硬质的硅基材料制备成可拉伸的柔性器件。他们的这些文章中无一例外都使用了有限元方法向来模拟器件在拉伸过程中的应力应变。通过有限元方法的理论力学分析深刻的阐述了器件设计中的学科原理。另外在热门领域柔性太阳能电池的设计中，有限元模拟在优化器件弯折性能上也有起着不可替代的作用。

二、传感器领域

可穿戴柔性传感技术是又一个热门研究领域。这类传感器件主要分布电阻型、电容型、压电型。无论是以上哪一类我们都可以用有限元方法模拟器件的工作过程。模拟结果方法文章中可以清楚的展示器件在传感过程中的电场或电流变化，说明了器件的工作原理，并且模拟计算数据可以和实验测得数据相互印证。王中林院士的研究团队就在他们的纳米发电器件研究文章中大量使用了有限元模拟。

三、微流控领域

微流控是一门涉及化学、流体力学、材料科学和生物医学的新兴交叉学科。微流控器件的设计过程中往往涉及到对多个物理过程的理解，包括流体在特定通道内的流场分布、不混溶两相流体的流动的控制、溶质在微流控通道内的输运和扩散、以及流体在电场、光场或声场这类外场作用下的响应。理解这些物理因素的相互作用是设计微流控器件的关键。所以在实验上制备微流控器件之前，先通过理论上建模仿真优化设计方案是提高科研效率的必要途径。另外在论文中增添理论模拟的部分也能提升文章质量，助力冲击高档次期刊。目前微流控领域以及液滴亲疏水浸润性方面几个热点研究方向我们都能通过有限元分析进行仿真模拟。

四、超材料领域

超材料就是通过人工构造的周期性结构使得材料具有实现通常状态下材料不可能具有的属性，例如负折射率、负磁导率等。同过超材料能实现光学隐身、全相位相片、超级透镜等特殊的光学效果。在设计超材料的过程当中理论上的模拟计算当然是必不可少的，有限元方法则是模拟计算中最常用的数值计算方法。

五、光电器件

通过有限元方法我们可以模拟光子晶体、光波导，谐振腔，表面等离子体共振、光散射等等光电器件中常见的现象，帮助我们解决光电器件设计中的诸多问题。

总结

可见有限元模拟应用广泛，掌握有限元模拟方法可以说一种通用的科研技能。