(Phys.org) - Pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign desenvolveram um novo modelo teórico que explica a convecção de fluido em macroescala induzida por nanoestruturas plasmônicas (metal). Seu modelo demonstra as velocidades de convecção observadas experimentalmente da ordem de micrômetros por segundo para uma matriz de ouro bowtie nanoantennas (BNAs) acopladas a um substrato óxido de índio-estanho (ITO) opticamente absorvente.

"A plasmônica oferece inúmeras oportunidades para controlar o movimento do fluido usando a absorção de luz, "explicou Kimani Toussaint, professor associado do Departamento de Ciência Mecânica e Engenharia (MechSE) em Illinois. "O entendimento comum na literatura é que a observação do movimento da partícula de mícron / s em experimentos com pinças plasmônicas pode ser modelada com precisão se aumentarmos o número de nanoestruturas - por exemplo, nanoantenas - na matriz. Mostramos que só isso não explicaria os fenômenos. O ITO é a peça crítica do quebra-cabeça, "

"Este primeiro estudo colaborativo abre portas para investigar fenômenos como a separação de partículas, geração de nanobolhas, e comutação óptica. Computações fornecem uma abordagem complementar para observações de laboratório, "disse o professor emérito do MechSE, Pratap Vanka, um co-autor do estudo. Resultados da pesquisa de convecção induzida por plasmon, com os alunos de graduação em engenharia elétrica e da computação Brian Roxworthy e Abdul Bhuiya, foram publicados na edição de janeiro da Nature Communications .

"Este trabalho é o primeiro a estabelecer teoricamente e experimentalmente que velocidades de fluido em mícron / s podem ser geradas usando uma arquitetura plasmônica, e fornece informações importantes sobre os fluxos que afetam a dinâmica das partículas em experimentos de aprisionamento óptico plasmônico. E nosso sistema pode ser integrado em ambientes microfluídicos para permitir maior destreza no manuseio de fluidos e controle de temperatura, "Roxworthy disse. O trabalho foi financiado pela National Science Foundation.

O modelo usa um conjunto de equações diferenciais parciais acopladas que descrevem o eletromagnético, transferência de calor, e fenômenos de mecânica dos fluidos, que é resolvido usando o COMSOL Multiphysics, um pacote de software comercial. No estudo, BNAs de ouro são iluminados por 2,5 mW de luz laser em três comprimentos de onda diferentes, em que cada comprimento de onda corresponde a estar ligado -, perto-, ou ressonância off em relação ao comprimento de onda de ressonância de plasmon dos BNAs. Uma solução contendo dielétrico, partículas esféricas com diâmetros de 1 a 20 mícrons são colocadas nos BNAs e usadas para rastrear os fluxos de fluido gerados.

O desenvolvimento do modelo levou os pesquisadores a várias conclusões importantes. Isso permitiu que eles entendessem o movimento de partículas de alta velocidade observado em experimentos com pinças plasmônicas, e eles perceberam que a inclusão de uma camada de ITO é crítica na distribuição da energia térmica criada pelos BNAs - um fato que foi negligenciado anteriormente. Adicionalmente, eles descobriram que o ITO sozinho poderia ser usado como um método simples, rota alternativa para alcançar convecção de fluido em ambientes de laboratório em um chip. Os pesquisadores também observaram que a matriz plasmônica altera a absorção no ITO, causando um desvio da absorção de Beer-Lambert.