(Phys.org) — I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno sviluppato un nuovo modello teorico che spiega la convezione di fluidi su macroscala indotta da nanostrutture plasmoniche (metalliche). Il loro modello dimostra le velocità di convezione osservate sperimentalmente dell'ordine dei micrometri al secondo per una serie di nanoantenne a farfalla d'oro (BNA) accoppiate a un substrato otticamente assorbente indio-stagno-ossido (ITO).

"La plasmonica offre numerose opportunità per controllare il movimento dei fluidi utilizzando l'assorbimento della luce, " ha spiegato Kimani Toussaint, professore associato presso il Dipartimento di Scienze e Ingegneria Meccanica (MechSE) dell'Illinois. "La comprensione comune in letteratura è che l'osservazione del movimento delle particelle micron/s negli esperimenti con pinzette plasmoniche può essere accuratamente modellata se si aumenta il numero di nanostrutture, ad esempio, nanoantenne—nell'array. Abbiamo dimostrato che questo da solo non spiegherebbe i fenomeni. L'ITO è il pezzo fondamentale del puzzle, "

"Questo primo studio collaborativo apre le porte per indagare su fenomeni come la separazione delle particelle, generazione di nanobolle, e commutazione ottica. I calcoli forniscono un approccio complementare alle osservazioni di laboratorio, " ha affermato il professore emerito MechSE Pratap Vanka, coautore dello studio. Risultati della ricerca sulla convezione indotta da plasmoni, con gli studenti laureati in ingegneria elettrica e informatica Brian Roxworthy e Abdul Bhuiya, sono stati pubblicati nel numero di gennaio di Comunicazioni sulla natura .

"Questo lavoro è il primo a stabilire sia teoricamente che sperimentalmente che le velocità dei fluidi micron/s possono essere generate utilizzando un'architettura plasmonica, e fornisce importanti informazioni sui flussi che influenzano la dinamica delle particelle negli esperimenti di intrappolamento ottico plasmonico. E il nostro sistema può essere integrato in ambienti microfluidici per consentire una maggiore destrezza nella gestione dei fluidi e nel controllo della temperatura, " Ha detto Roxworthy. Il lavoro è stato finanziato dalla National Science Foundation.

Il modello utilizza un insieme di equazioni alle derivate parziali accoppiate che descrivono l'elettromagnetismo, trasferimento termico, e fenomeni di fluidodinamica, che viene risolto utilizzando COMSOL Multiphysics, un pacchetto software commerciale. Nello studio, i BNA d'oro sono illuminati da 2,5 mW di luce laser a tre diverse lunghezze d'onda, per cui ogni lunghezza d'onda corrisponde ad essere on-, vicino-, o off-risonanza rispetto alla lunghezza d'onda di risonanza plasmonica dei BNA. Una soluzione contenente dielettrico, particelle sferiche con diametri da 1 a 20 micron vengono posizionate sui BNA e utilizzate per tracciare i flussi di fluido generati.

Lo sviluppo del modello ha portato i ricercatori a diverse importanti conclusioni. Ha permesso loro di comprendere il movimento delle particelle ad alta velocità osservato in esperimenti con pinzette plasmoniche, e si sono resi conto che l'inclusione di uno strato ITO è fondamentale nella distribuzione dell'energia termica creata dai BNA, un fatto che è stato precedentemente trascurato. Inoltre, hanno scoperto che l'ITO da solo poteva essere usato come semplice, percorso alternativo per ottenere la convezione del fluido in ambienti lab-on-a-chip. I ricercatori hanno anche osservato che l'array plasmonico altera l'assorbimento nell'ITO, causando una deviazione dall'assorbimento Beer-Lambert.