从温度数据中计算等效质量的线索

粒子等效质量的传统计算方法是推动粒子，然后测量它对作用力的反应。阿尔伯塔大学的一个研究团队（Brad Hauer、Callum Doolin、Kevin Beach 和 John Davis）使用仿真这一高效的非侵入工具来实现热机械校准。

根据 Hauer 的说法：“对谐振器的恰当校准非常重要，尤其是在极端重视精度的行业。”

热机械校准因其精确性保证了设备能准确、最优地运转。谐振器的热运动与它的能量成正比，能量又与其等效质量和瞬态位移的平方成正比。等效质量的计算要同时考虑质量与振型，因此，要考虑谐振器的位移。简单地说，对谐振器设计等效质量的精确预测，才使我们能够恰当地校准。

模拟原子力显微镜针尖

原子力显微镜是一个需要极其精细测量的领域，它为仪器提供了一种检查表面的方式。原子力显微镜会沿物体操作一个物理探针，以创建物体的高解析度图片。该工艺存在一个缺陷，即测量可能会由于设备的制造缺陷而完全无效。像原子力显微镜针尖一样敏感的器件，尤其需要精确的校准。

阿尔伯塔大学的研究人员利用结构力学模块的特征频率研究分析了基础振型。他们随即将谐振器密度乘以归一化的位移平方，再对结果在整个几何上执行体积分，进而得到等效质量。

原子力显微镜针尖振型的仿真，使用光电二极管测量了悬臂反射的光。

计算任何器件的等效质量

考虑到需要校准的多种传感器类型，如果能在同一个软件内模拟所有几何，将带来极大的帮助。未来，阿尔伯塔大学的研究人员将研究一些涉及光机械的前沿设计。自然，他们会继续使用 COMSOL Multiphysics 来模拟他们的设计。

在研究纳米结构、纳米弦，以及其间任何领域的公司中，这项研究都能得到广泛的应用。最重要的是，结构力学模块用户将能通过一种有效且可扩展的方式来获取纳米电子与纳米机械器件中的等效质量。

测力传感器能够测量最小为阿牛顿 (10^-18N) 大小的力的增量。

扩展阅读

• 阅读阿尔伯塔大学的论文：“在热机械校准中，使用 COMSOL Multiphysics 来计算等效质量”
• 学习了解结构力学模块

声音如何举升物体

阿贡国家实验室（Argonne）的研究人员使用多物理场仿真和试错原型制作来提升声学悬浮装置的效率。当我们需要移动对象时，声音可能不是我们通常可以采用的工具。那么，如何利用声音在实验室环境中使物体漂浮或悬浮？答案在于以正确的方式组合力即可产生提升力。

当声音振动通过空气等介质传播时，所产生的压缩是可测且真实的。通过组合声泳力、重力和阻力等压力，不仅足以提升液体药物之类的材料，而且还可以根据操作员的需要对药物进行定位、旋转和移动。

声学悬浮器的换能器之间的波所产生的压力袋会在粒子尺度上产生较大的提升力。

结晶之前旋转药滴

通过使液滴保持稳定旋转，在药物保持液态和无定形状态下，研究人员能够使其进行化学反应。这是创造一个安全、稳定的环境使药物正确合成的关键所在。

声学悬浮装置的几何建模

声学悬浮装置中的每种材料和尺寸都会影响该设备，包括是否按照最终设计进行正常工作，以及是否能根据使用它的科学家的需求进行精细调整。

该设备的几何形状包括两个小型压电传感器，它们像喇叭一样竖立在产生药物的工作区域的上方和下方，如下图所示。

声学悬浮器的波型由位于平坦相对的换能器上的高斯形状泡沫控制。

设计中最重要的部分可能是由聚苯乙烯制成，并覆盖每个换能器端部的高斯形状的泡沫，这种泡沫可以消除所需范围之外的声波，能作为滤波器来维持均匀、明确的驻波。

Argonne的团队耦合使用了COMSOL Multiphysics® 中的“声学模块”、“ CFD模块”和“粒子追踪模块”对声学悬浮器进行了建模。通过仿真，他们能够缩小声场的形状和浮动液滴的位置。

上图仿真结果显示，在T = 0.75秒时，颗粒形成了液滴。左侧显示了仿真中预期的粒子分布，右侧显示了液滴的实际分布的照片。

使用声学悬浮装置生产更安全、更精确的药物

声悬浮技术的发展以及能控制越来越精细的化学反应的能力，使药物科学界的成员扩展了其研究领域，未来也许会发现更多能够挽救生命的新药。

扩展阅读

• 了解有关通过声悬浮技术实现飘浮更多信息。