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电化学工程 博客文章

开发用于按需DNA合成的硅MEMS芯片

2020年 1月 21日

体细胞基因组编辑逐渐表现出能够治疗多种遗传疾病的能力。随着功能强大的基因组编辑工具 CRISPR-Cas9 的不断发展,人们对 DNA 合成技术的需求也越来越多。一家总部位于英国的初创公司正在开发一个平台,用于高度平行、精确以及可扩展的 DNA 合成,这将大大拓宽合成生物学的应用前景。 DNA 研究的新领域 传统的 DNA 合成技术是通过化学构建一串碱基,以形成一条单链的一个片段,然后将这些片段连接在一起,形成双链DNA。这种方法造价昂贵且非常耗时,这就限制了合成生物学的应用前景。一个可以合成整个基因序列的 DNA 平台将会改变每个实验室中 DNA 合成的格局。现今,总部位于英国剑桥的初创公司 Evonetix 正在开发一种芯片系统,以实现这一目标。 Evonetix 正在开发的平台上包含有多个反应位点的硅芯片,每个反应位点都可以并行合成一条不同的 DNA 链。各个位点都有一层金,上面会发生生化反应。同时也有一些保护区域,这些保护区域将位点与之间的被动区域热隔离。 在芯片实验室里做的晶片硅上的单个反应位点。图片由 Evonetix 提供。 热控制是芯片最重要的方面之一。可以通过热控制来加速或减速芯片上各个位置的反应,就像电灯开关一样打开或关闭这些位置。热控制还可以精确且独立地控制反应位点处流体体积的温度,这种控制可以创建 “虚拟热井” ,从而消除反应位点之间的物理屏障,并允许试剂可以同时流过数千个位置。这样,当含化学试剂的液体流过这些位点时,取决于温度的反应就可以以高度并行的格式进行或者关闭。 该芯片的另一个方面是其专有的错误检测方法,这种方法可以提高良率。反应位点上生长的 DNA 序列会自动纯化以消除错误,然后再将它们组合成更长的高保真基因序列。 设计目标 为了使硅芯片可以尽可能有效地合成 DNA,Evonetix 团队想到需要优化其几何形状和材料。他们对该芯片有三个主要设计目标: 反应位点处温度均匀 反应位点上单位功率的高温升速率 流体流动过程中稳定的温度分布 首先,反应位点处保证其温度均匀很重要,因为温度可以精确控制反应。Evonetix 物理负责人 Andrew Ferguson 说:“化学反应是随着温度变化而开启的,我们希望可以精确地控制反应速率。” 其次,反应位点上单位功率的高温升速率可以使芯片的总功率保持在较低的水平。最后,芯片上稳定的温度分布确保了反应可以在流体流动条件下发生。 在 COMSOL Multiphysics® 中为硅 MEMS 芯片建模 Evonetix 团队使用 COMSOL Multiphysics® 软件在其硅芯片设计上模拟 DNA 合成。Evonetix的高级工程师 Vijay Narayan 说,“我很喜欢 COMSOL Multiphysics 的用户界面。它可以让我们专注于物理学,同时确保方程的数值结果能得到很好的后处理。”他们使用 COMSOL Multiphysics 中的内置材料以及来自文献的外部材料数据,建立了具有真实材料参数的模型。 首先,该团队使用 COMSOL Multiphysics 构建芯片的单个单元(包括反应部位和加热器)的几何形状,以满足上述三个设计要求。该 ECAD导入模块 使他们能够轻松地将他们的设计从 GDS(CAD 文件格式)导入到 COMSOL Multiphysics 软件中。Narayan说:“系统的设计,尤其是对加热器的设计,可以非常精确,并且具有非常严格的设计规则,同时 ECAD 导入模块提供了更多的灵活性。” 这一功能也使设计团队能够在原型制作阶段直接向制造商提供设计图样。 包括一个反应位点的几何模型图。图片由 Evonetix 提供。 为了分析系统的稳态和瞬态热响应,研究小组使用了传热模块。他们通过使用 电磁加热 接口,让电流流经加热器来评估系统的温度控制能力。为了扩展热分析,该团队通过添加 层流 和 非等温流 多物理场耦合来描述流体流动。 […]

使用COMSOL®软件仿真锂离子电池中的电极平衡

2019年 5月 16日

如果锂离子电池的电极平衡不正确,则电池开路电压将不会准确。在本篇博客文章中,我们将介绍电极中的物质守衡以及其是如何产生的,并使用COMSOL Multiphysics®软件演示了一个简易电池模型。通过该模型中使用的方法可以使电极实现平衡。此外,我们还将讨论如何将该方法用于高级建模,例如预测不同速率的充放电倍率容量并分析与电位相关的老化问题。 为什么电极平衡很重要? 电池单元由一个负极(放电过程中的阳极)和一个正极(放电过程中的阴极)组成。另外,在锂电池中,阴极上还原的锂离子的量必须等于阳极上氧化的锂原子的量。在电池工程中,平衡两侧的活性电极材料的数量至关重要。一种材料过多意味着有效地增加了电池的自重,因为如果另一种材料不能适当地平衡,则不可能100%的利用该电极的活性物质。 将电池充电和放电视为在两个杯子(电极)之间来回倒入能量饮料(锂)。鉴于一开始必须先装满一个玻璃杯(平整的),如何选择每个玻璃杯的尺寸以最大程度地减少容器的总体积,同时又要最大程度地增加倒出的液体的数量(容量)和流量(流量),而不会溢出(电池老化)? 在建模方面(对于同时定义正极和负极的任何模型),电极平衡具有重要意义,因为除非适当的平衡,否则电池模型的开路电势将是不正确的。(此外,如果您的开路电势不正确,这意味着您的模型甚至在未通电流时都是不准确的。) 下面从工程角度出发,讨论如何为特定容量的电池设计电极平衡。在此讨论中,我们将使用以下定义: 标准电池容量:在一定的充电/放电速率下,一组指定最大和最小电压限制的电池容量 宿主电池容量:每个电极中可以存储锂的位点数量 可循环锂:在循环过程中可从电极添加或去除的可循环锂原子的数量(两个电极的总和) 电极平衡理论 正极上的可循环锂 负极(石墨、钛酸盐、硅等)材料在制造时不含锂,或未完全锂化;而正极材料(锂金属氧化物,磷酸锂等)已完全锂化。因此,原始可循环锂的量等于正极的主体容量。最初的电极平衡方法是在正极上添加所需数量的电极材料,以达到电池的标称容量,并在负极上添加相应数量的电极材料。但是,这并不容易。 选择正极容量 在正电极上,高电势可能导致不可逆的电解质氧化和气体形成,或金属离子从氧化锂基体中溶解,完全脱锂也可能破坏基体。为了延长使用寿命(或为了安全起见),电池工程师必须指定最大电极电压。 本质上,该最大值意味着降低正极的允许锂化窗口,即在电池中必须使用比标准电池容量更多的正极活性材料(建模是评估各种充电倍率下电极中电势水平的绝佳工具,但这不是本篇博客文章的研究范围)。因为在正常操作范围内,只能允许利用一部分正极容量。因此,我们不能仅基于标称电池容量研究电极平衡,我们还需要考虑对负极的有害循环效应。 增加多余的负容量 在充电即将结束时,负极达到其最低电位。负极处的低电势对电池有害,因为这可能会加速固体电解质膜(SEI)的形成,电极电势开始接近锂金属电镀的电位。 如果在电池中发生锂金属镀层,则可能导致可循环锂的额外损失,并且还导致锂金属枝晶的生长,枝晶使电池存在短路的风险。此外,由于在接近完全锂化时电极的体积膨胀系数增加,导致低电位石墨制成电极存在机械破坏问题。 较大电充电流下产生的不均匀电流分布,会进一步加剧低电位及接近100%锂化的风险(建模可以帮助评估)。因此,相对于普通电池的标准容量,负极理论容量需要适当增加。但是,这也会是事情变得更加复杂。 化成与老化 新制电池的第一次充放电循环称为“ 化成”。在形成过程中,由于寄生反应(例如产生初始SEI膜的反应)而损失了少量可循环锂。这种损耗减少了可用于充电循环的锂量。 在循环过程中,析锂也可能会与某一电极的基体紧密地结合,以至于正常的充放电循环不能再进行。同样,颗粒破裂会导致活性物质与电极的其余部分失去连接。这种现象将减少可循环材料的数量和电极容量。 通常,平衡电池时会补偿不可逆的可循环锂的损失量和形成过程中的主体容量。但是,即使可以保持良好的平衡,并通过在设备中实施循环电压约束来最大程度地减少老化寿命,也无法完全解决这些问题。随着电池的老化,可循环的锂和活性材料将不断丢失,从而导致动态的平衡问题。 电极平衡与建模 模型中准确的电极平衡的重要性不容质疑。如果热力学(即开路电势)不正确,则根本无法通过调节电导率,交换电流密度和扩散系数来补偿,这意味着电池开路电压永远不会准确,也无法平衡。 在下文中,我们将介绍用于电极平衡的数学框架,并在两个不同的示例中使用该框架。 电极平衡的数学框架 需要三个物理电荷参数来定义电池单元平衡: Q\textrm{host,pos}(Ah) — 正极中的电量 Q\textrm{host,neg}(Ah) — 负极中的电量 Q\textrm{Li,tot}(Ah) — 两个电极中的总电量(可用于电化学反应) 对于每个电极,电极的锂化状态(SOL)定义为 \textrm{SOL}\textrm{pos} \equiv \frac{Q\textrm{Li,pos}}{ Q\textrm{host,pos}} 和 \textrm{SOL}\textrm{neg} \equiv \frac{Q\textrm{Li,neg}}{ Q\textrm{host,neg}} 其中,Q\textrm{Li,pos}(Ah) 和 Q\textrm{Li,neg}(Ah) 分别是存储在正极和负极中的锂原子的量。 现在,我们将介绍无量纲的参数Y。这些参数通过将相应的充电参数Q(Ah)除以电池的标准容量Q cell来实现无量纲: Yi = \frac{Qi}{Q\textrm{cell}} 为了定义电池的荷电状态(SOC),我们还需要将其中一个电极的锂化水平耦合到指定的SOC水平。 综上,需要四个参数来定义平衡模型: Y\textrm{host,pos}— 正极中无量纲的电量 Y\textrm{host,neg}— 负极中无量纲的电量 Y\textrm{Li,tot}— 无量纲的锂总电量 \textrm{SOL}{\textrm{neg},0}— SOC为0%时负极的SOL 电极的SOL可以写成下式: \textrm{SOL}\textrm{neg} = \textrm{SOL}{\textrm{neg},0}+\frac{\textrm{SOC}}{Y\textrm{host,neg}} 上述公式用于负极 \textrm{SOL}\textrm{pos} = \frac{Y\textrm{Li,tot}}{Y\textrm{host,pos}} – \frac{\textrm{SOL}{\textrm{neg}}Y\textrm{host,neg}}{Y\textrm{host,pos}} 上述公式用于正极。 当使用平衡表达式时,通常需注意,电极的无量纲电量直接与SOC和锂化程度有关,具体取决于 Y\textrm{host,neg}= \frac{1}{\textrm{SOL}_\textrm{neg,100} […]

通过建模了解肿瘤的电化学治疗

2019年 5月 2日

当前,最常见的癌症治疗方法有手术、化学疗法以及放射疗法,不过每种方法都具有重大风险。有一种较安全的替代方法是通过电化学治疗(EChT),该技术使用直流电消除恶性肿瘤。然而,在这项技术被广泛应用之前,医生们需要更好地了解其破坏机理,以便能够更好地制定剂量计划。

数字孪生模型和基于模型的电池设计

2019年 2月 20日

通过将高保真多物理场模型与轻量级模型以及实测数据相结合,工程师可以创建数字孪生模型,进而去理解、预测、优化并控制现实界系统。

电镀法的艺术和科学

2018年 11月 13日

电镀化学是一种应用于汽车、电子、防腐、航空航天和国防工业的表面处理技术,既是一门艺术,也是一门科学。让我们具体解释一下。

如何模拟离子交换膜和唐南电位

2018年 8月 29日

离子交换膜广泛应用于电化学工程领域。在聚合物电解质燃料电池和钒液流电池中,它们用于传导离子,同时防止反应物和电子在两个流室之间流动。在电渗析中,促进正电荷或负电荷离子通过的能力也用于从离子中去除水。在本篇博客文章中,我们将探索离子交换膜的离子选择能力。

模拟分析微盘电极的循环伏安法

2018年 7月 3日

在电化学领域,循环伏安法 分析技术通常使用微盘作为工作电极。与宏观电极不同,微型电极上的扩散在实验中的时间尺度上发生得非常快。为了简化分析,我们可以采用近似法,即假设微盘在伏安法研究的时间尺度上具有稳态扩散属性,从而消除了对时变模型的需要。

模拟电路板上的铜电化学沉积

2018年 6月 21日

印刷电路板制造常采用电沉积工艺。在本文中,我们将讨论如何模拟印刷电路板沟槽中铜的电化学沉积过程。


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