(Phys.org) -Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben een nieuw theoretisch model ontwikkeld dat de vloeistofconvectie op macroschaal veroorzaakt door plasmonische (metaal) nanostructuren verklaart. Hun model demonstreert de experimenteel waargenomen convectiesnelheden in de orde van micrometers per seconde voor een reeks gouden vlinderdas-nanoantennes (BNA's) gekoppeld aan een optisch absorberend indium-tin-oxide (ITO) substraat.

"Plasmonics biedt talloze mogelijkheden om vloeistofbewegingen te beheersen met behulp van lichtabsorptie, " legde Kimani Toussaint uit, een universitair hoofddocent bij de afdeling Mechanical Science and Engineering (MechSE) in Illinois. "Het algemene begrip in de literatuur is dat de waarneming van micron/s-deeltjesbeweging in plasmonische pincetexperimenten nauwkeurig kan worden gemodelleerd als men het aantal nanostructuren vergroot, bijvoorbeeld, nanoantennes - in de array. We toonden aan dat dit alleen de verschijnselen niet zou verklaren. De ITO is het cruciale stuk van de puzzel, "

"Deze eerste gezamenlijke studie opent deuren om fenomenen te onderzoeken zoals deeltjesscheiding, generatie van nanobellen, en optisch schakelen. Berekeningen bieden een complementaire benadering van laboratoriumobservaties, " zei MechSE emeritus professor Pratap Vanka, een co-auteur van de studie. Resultaten van het plasmon-geïnduceerde convectieonderzoek, met afgestudeerde studenten elektrotechniek en computertechniek Brian Roxworthy en Abdul Bhuiya, zijn gepubliceerd in het januarinummer van Natuurcommunicatie .

"Dit werk is het eerste dat zowel theoretisch als experimenteel vaststelt dat micron/s-vloeistofsnelheden kunnen worden gegenereerd met behulp van een plasmonische architectuur, en geeft belangrijk inzicht in de stromingen die de deeltjesdynamiek beïnvloeden in plasmonische optische vangstexperimenten. En ons systeem kan worden geïntegreerd in microfluïdische omgevingen om meer behendigheid in vloeistofbehandeling en temperatuurregeling mogelijk te maken, " zei Roxworthy. Het werk werd gefinancierd door de National Science Foundation.

Het model gebruikt een reeks gekoppelde partiële differentiaalvergelijkingen die de elektromagnetische, warmteoverdracht, en vloeistofmechanica verschijnselen, die wordt opgelost met behulp van COMSOL Multiphysics, een commercieel softwarepakket. In de studie, gouden BNA's worden verlicht door 2,5 mW laserlicht op drie verschillende golflengten, waarbij elke golflengte overeenkomt met aan-, in de buurt-, of niet-resonantie met betrekking tot de plasmonresonantiegolflengte van de BNA's. Een oplossing die diëlektrische, bolvormige deeltjes met een diameter van 1 tot 20 micron worden op de BNA's geplaatst en gebruikt om de gegenereerde vloeistofstromen te traceren.

De ontwikkeling van het model bracht de onderzoekers tot een aantal belangrijke conclusies. Het stelde hen in staat om de deeltjesbeweging met hoge snelheid te begrijpen die werd waargenomen in experimenten met plasmonische pincetten, en ze realiseerden zich dat het opnemen van een ITO-laag van cruciaal belang is bij het distribueren van de thermische energie die door de BNA's wordt gecreëerd - een feit dat eerder over het hoofd werd gezien. Aanvullend, ze ontdekten dat de ITO alleen als een eenvoudig, alternatieve route voor het bereiken van vloeistofconvectie in lab-on-a-chip-omgevingen. De onderzoekers merkten ook op dat de plasmonarray de absorptie in de ITO verandert, waardoor een afwijking van Beer-Lambert-absorptie ontstaat.