Forskere modellerer makroskala plasmonisk konvektion for at kontrollere væske og partikelbevægelse

(Phys.org)-Forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har udviklet en ny teoretisk model, der forklarer makroskala væskekonvektion induceret af plasmoniske (metal) nanostrukturer. Deres model demonstrerer de eksperimentelt observerede konvektionshastigheder i størrelsesordenen mikrometer pr. Sekund for en række guld bowtie nanoantennas (BNA'er) koblet til et optisk absorberende indium-tin-oxid (ITO) substrat.

"Plasmonics tilbyder mange muligheder for at kontrollere væskebevægelser ved hjælp af lysabsorbering, "forklarede Kimani Toussaint, en lektor i Institut for Mekanisk Videnskab og Teknik (MechSE) i Illinois. "Den almindelige forståelse i litteraturen er, at observationen af ​​mikron/s partikelbevægelse i plasmoniske pincetforsøg kan modelleres nøjagtigt, hvis man øger antallet af nanostrukturer - f.eks. nanoantenner - i arrayet. Vi viste, at dette alene ikke ville forklare fænomenerne. ITO er den kritiske brik i puslespillet, "

"Denne første kollaborative undersøgelse åbner døre for at undersøge fænomener som partikelseparation, nanobobler generation, og optisk omskiftning. Beregninger giver en komplementær tilgang til laboratorieobservationer, "sagde MechSE emeritusprofessor Pratap Vanka, medforfatter af undersøgelsen. Resultater af plasmoninduceret konvektionsforskning, med elektriske og computertekniske kandidatstuderende Brian Roxworthy og Abdul Bhuiya, er blevet offentliggjort i januarnummeret af Naturkommunikation .

"Dette arbejde er det første, der både teoretisk og eksperimentelt fastslår, at mikron/s væskehastigheder kan genereres ved hjælp af en plasmonisk arkitektur, og giver vigtig indsigt i de strømme, der påvirker partikeldynamikken i plasmoniske optiske fangstforsøg. Og vores system kan integreres i mikrofluidiske miljøer for at muliggøre større fingerfærdighed i væskehåndtering og temperaturkontrol, "Sagde Roxworthy. Arbejdet blev finansieret af National Science Foundation.

Modellen bruger et sæt koblede partielle differentialligninger, der beskriver de elektromagnetiske, varmeoverførsel, og fænomener for væskemekanik, som løses ved hjælp af COMSOL Multifysik, en kommerciel softwarepakke. I undersøgelsen, guld BNA'er belyses med 2,5 mW laserlys ved tre forskellige bølgelængder, hvorved hver bølgelængde svarer til at være on-, nær ved-, eller off-resonans med hensyn til plasmonresonansbølgelængden af ​​BNA'erne. En opløsning indeholdende dielektrisk, sfæriske partikler med diametre på 1 til 20 mikrometer placeres på BNA'erne og bruges til at spore de genererede væskestrømme.

Udviklingen af ​​modellen førte forskerne til flere vigtige konklusioner. Det gav dem mulighed for at forstå partikelbevægelsen med høj hastighed, der blev observeret i forsøg med plasmonisk pincet, og de indså, at inklusion af et ITO -lag er afgørende for distribution af den termiske energi, som BNA'erne skaber - en kendsgerning, der tidligere er blevet overset. Derudover de fandt ud af, at ITO alene kunne bruges som en enkel, alternativ rute til at opnå væskekonvektion i lab-on-a-chip-miljøer. Forskerne observerede også, at det plasmoniske array ændrer absorptionen i ITO, forårsager en afvigelse fra Beer -Lambert absorption.