(Phys.org) —Los investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han desarrollado un nuevo modelo teórico que explica la convección de fluidos a macroescala inducida por nanoestructuras plasmónicas (metálicas). Su modelo demuestra las velocidades de convección observadas experimentalmente del orden de micrómetros por segundo para una serie de nanoantenas de pajarita de oro (BNA) acopladas a un sustrato de óxido de indio-estaño (ITO) ópticamente absorbente.

"La plasmónica ofrece numerosas oportunidades para controlar el movimiento de los fluidos mediante la absorción de luz, "explicó Kimani Toussaint, profesor asociado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería Mecánica (MechSE) de Illinois. "El entendimiento común en la literatura es que la observación del movimiento de partículas de micrones en experimentos con pinzas plasmónicas se puede modelar con precisión si se aumenta el número de nanoestructuras, por ejemplo, nanoantenas — en la matriz. Demostramos que esto por sí solo no explicaría los fenómenos. El ITO es la pieza fundamental del rompecabezas, "

"Este primer estudio colaborativo abre puertas para investigar fenómenos como la separación de partículas, generación de nanoburbujas, y conmutación óptica. Los cálculos proporcionan un enfoque complementario a las observaciones de laboratorio, "dijo el profesor emérito de MechSE Pratap Vanka, coautor del estudio. Resultados de la investigación de convección inducida por plasmones, con los estudiantes graduados de ingeniería eléctrica e informática Brian Roxworthy y Abdul Bhuiya, han sido publicados en la edición de enero de Comunicaciones de la naturaleza .

"Este trabajo es el primero en establecer, tanto teórica como experimentalmente, que las velocidades de los fluidos en micrones / s se pueden generar utilizando una arquitectura plasmónica, y proporciona información importante sobre los flujos que afectan la dinámica de partículas en experimentos de atrapamiento óptico plasmónico. Y nuestro sistema se puede integrar en entornos de microfluidos para permitir una mayor destreza en el manejo de fluidos y el control de la temperatura. "Dijo Roxworthy. El trabajo fue financiado por la National Science Foundation.

El modelo utiliza un conjunto de ecuaciones diferenciales parciales acopladas que describen la electromagnética, transferencia de calor, y fenómenos de mecánica de fluidos, que se resuelve mediante COMSOL Multifísica, un paquete de software comercial. En el estudio, Los BNA de oro se iluminan con 2,5 mW de luz láser en tres longitudes de onda diferentes, donde cada longitud de onda corresponde a estar en-, cerca-, o fuera de resonancia con respecto a la longitud de onda de resonancia del plasmón de los BNA. Una solución que contiene dieléctrico, Las partículas esféricas con diámetros de 1 a 20 micrones se colocan en los BNA y se utilizan para rastrear los flujos de fluido generados.

El desarrollo del modelo llevó a los investigadores a varias conclusiones importantes. Les permitió comprender el movimiento de partículas de alta velocidad observado en experimentos con pinzas plasmónicas, y se dieron cuenta de que la inclusión de una capa de ITO es fundamental para distribuir la energía térmica creada por los BNA, un hecho que anteriormente se había pasado por alto. Adicionalmente, descubrieron que la ITO por sí sola se podía utilizar como un simple, ruta alternativa para lograr la convección de fluidos en entornos de laboratorio en un chip. Los investigadores también observaron que la matriz plasmónica altera la absorción en el ITO, provocando una desviación de la absorción de Beer-Lambert.