(Phys.org) — Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont développé un nouveau modèle théorique qui explique la convection des fluides à grande échelle induite par les nanostructures plasmoniques (métalliques). Leur modèle démontre les vitesses de convection observées expérimentalement de l'ordre de quelques micromètres par seconde pour un réseau de nanoantennes en nœud papillon (BNA) en or couplées à un substrat d'oxyde d'indium-étain (ITO) optiquement absorbant.

"La plasmonique offre de nombreuses possibilités de contrôler le mouvement des fluides en utilisant l'absorption de la lumière, " a expliqué Kimani Toussaint, professeur agrégé au Département des sciences mécaniques et du génie (MechSE) de l'Illinois. "La compréhension commune dans la littérature est que l'observation du mouvement des particules micron/s dans les expériences de pincettes plasmoniques peut être modélisée avec précision si l'on augmente le nombre de nanostructures, par exemple, nanoantennes—dans le réseau. Nous avons montré que cela n'expliquerait pas à lui seul les phénomènes. L'ITO est la pièce critique du puzzle, "

"Cette première étude collaborative ouvre des portes pour étudier des phénomènes tels que la séparation des particules, génération de nanobulles, et la commutation optique. Les calculs offrent une approche complémentaire aux observations de laboratoire, " a déclaré Pratap Vanka, professeur émérite de MechSE, un co-auteur de l'étude. Résultats de la recherche sur la convection induite par plasmon, avec les étudiants diplômés en génie électrique et informatique Brian Roxworthy et Abdul Bhuiya, ont été publiés dans le numéro de janvier de Communication Nature .

"Ce travail est le premier à établir à la fois théoriquement et expérimentalement que des vitesses de fluide micron/s peuvent être générées à l'aide d'une architecture plasmonique, et fournit des informations importantes sur les flux affectant la dynamique des particules dans les expériences de piégeage optique plasmonique. Et notre système peut être intégré dans des environnements microfluidiques pour permettre une plus grande dextérité dans la manipulation des fluides et le contrôle de la température, ", a déclaré Roxworthy. Le travail a été financé par la National Science Foundation.

Le modèle utilise un ensemble d'équations différentielles partielles couplées décrivant l'électromagnétisme, transfert de chaleur, et les phénomènes de mécanique des fluides, qui est résolu en utilisant COMSOL Multiphysics, un progiciel commercial. Dans l'étude, les BNA d'or sont illuminés par 2,5 mW de lumière laser à trois longueurs d'onde différentes, où chaque longueur d'onde correspond à être activé, à proximité-, ou hors résonance par rapport à la longueur d'onde de résonance plasmon des BNA. Une solution contenant du diélectrique, des particules sphériques d'un diamètre de 1 à 20 microns sont placées sur les BNA et utilisées pour tracer les flux de fluide générés.

Le développement du modèle a conduit les chercheurs à plusieurs conclusions importantes. Cela leur a permis de comprendre le mouvement des particules à grande vitesse observé lors d'expériences avec des pincettes plasmoniques, et ils ont réalisé que l'inclusion d'une couche d'ITO est essentielle dans la distribution de l'énergie thermique créée par les BNA, un fait qui a été négligé auparavant. En outre, ils ont découvert que l'ITO seul pouvait être utilisé comme un moyen simple, voie alternative pour atteindre la convection des fluides dans les environnements de laboratoire sur puce. Les chercheurs ont également observé que le réseau plasmonique modifie l'absorption dans l'ITO, provoquant un écart par rapport à l'absorption Bière-Lambert.