(Phys.org) —Forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign har utvecklat en ny teoretisk modell som förklarar makroskala vätskekonvektion inducerad av plasmoniska (metall) nanostrukturer. Deras modell visar de experimentellt observerade konvektionshastigheterna i storleksordningen mikrometer per sekund för en rad guld-bowtie-nanoantenner (BNA) kopplade till ett optiskt absorberande indium-tennoxid (ITO) -substrat.

"Plasmonics erbjuder många möjligheter att kontrollera vätskans rörelser med hjälp av ljusabsorption, "förklarade Kimani Toussaint, docent vid Institutionen för mekanisk vetenskap och teknik (MechSE) i Illinois. "Den gemensamma förståelsen i litteraturen är att observationen av mikron/s partikelrörelse i plasmoniska pincettförsök kan modelleras exakt om man ökar antalet nanostrukturer - till exempel nanoantenner - i matrisen. Vi visade att detta inte ensam skulle förklara fenomenen. ITO är den kritiska biten till pusslet, "

"Denna första samarbetsstudie öppnar dörrar för att undersöka fenomen som partikelseparation, nanobubble generation, och optisk omkoppling. Beräkningar ger ett kompletterande tillvägagångssätt för laboratorieobservationer, "sade MechSE emeritusprofessor Pratap Vanka, medförfattare till studien. Resultat av plasmoninducerad konvektionsforskning, med el- och datorteknik doktorander Brian Roxworthy och Abdul Bhuiya, har publicerats i januarinumret av Naturkommunikation .

"Detta arbete är det första som både teoretiskt och experimentellt fastställer att mikron/s vätskahastigheter kan genereras med hjälp av en plasmonisk arkitektur, och ger viktig inblick i de flöden som påverkar partikeldynamiken i plasmoniska optiska fångstförsök. Och vårt system kan integreras i mikrofluidiska miljöer för att möjliggöra större fingerfärdighet i vätskehantering och temperaturkontroll, "Sade Roxworthy. Arbetet finansierades av National Science Foundation.

Modellen använder en uppsättning kopplade partiella differentialekvationer som beskriver elektromagnetiska, värmeöverföring, och vätskemekanikfenomen, som löses med COMSOL Multifysik, ett kommersiellt mjukvarupaket. I studien, guld -BNA belyses med 2,5 mW laserljus vid tre olika våglängder, varigenom varje våglängd motsvarar att vara på-, nära-, eller avresonans med avseende på plasmonresonansvåglängden för BNA:erna. En lösning som innehåller dielektrikum, sfäriska partiklar med diametrar på 1 till 20 mikron placeras på BNA:erna och används för att spåra de genererade vätskeflödena.

Utvecklingen av modellen ledde forskarna till flera viktiga slutsatser. Det gjorde det möjligt för dem att förstå partikelrörelsen med hög hastighet som observerades i experiment med plasmonisk pincett, och de insåg att inkludering av ett ITO -lager är avgörande för distribution av den termiska energin som skapas av BNA:erna - ett faktum som tidigare har förbises. Dessutom, de fann att ITO ensam kunde användas som en enkel, alternativ väg för att uppnå vätskekonvektion i lab-on-a-chip-miljöer. Forskarna observerade också att den plasmoniska gruppen förändrar absorptionen i ITO, orsakar en avvikelse från öl – Lamberts absorption.