Изображение конвекции жидкости (стрелки), наложенное на фоновое распределение температуры, созданное BNA и ITO. На вставке показана геометрия BNA с изображением одного галстука-бабочки (в искусственных цветах), полученным с помощью сканирующего электронного микроскопа; масштабная линейка 200 нм.
«Плазмоника предлагает множество возможностей для управления движением жидкости с помощью поглощения света», — пояснил Кимани Туссен, доцент кафедры механики и инженерии (MechSE). «В литературе принято считать, что наблюдение движения частиц микрон / с в экспериментах с плазмонным пинцетом можно точно смоделировать, если увеличить количество наноструктур — например, наноантенн — в массиве.
Мы показали, что одно это не объясняет явления. ITO — важнейший элемент головоломки "
«Это первое совместное исследование открывает двери для изучения таких явлений, как разделение частиц, образование нанопузырьков и оптическое переключение.
Вычисления обеспечивают дополнительный подход к лабораторным наблюдениям ", — сказал почетный профессор MechSE Пратап Ванка, соавтор исследования. Результаты исследования плазмонной конвекции, проведенного с участием аспирантов по электротехнике и компьютерной инженерии Брайана Роксуорти и Абдула Бхуйя, были опубликованы в январском выпуске журнала Nature Communications.
«Эта работа является первой, которая теоретически и экспериментально устанавливает, что скорости жидкости в микронах в секунду могут быть получены с использованием плазмонной архитектуры, и дает важное понимание потоков, влияющих на динамику частиц в экспериментах по плазмонному оптическому улавливанию.
И наша система может быть интегрирована в микрожидкостную среду, чтобы обеспечить большую маневренность в обращении с жидкостями и контроле температуры », — сказал Роксуорти.
В модели используется набор связанных дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих электромагнитные явления, теплопередачу и явления механики жидкости, который решается с помощью коммерческого программного пакета COMSOL Multiphysics. В исследовании золотые BNA освещаются 2.5 мВт лазерного излучения на трех разных длинах волн, при этом каждая длина волны соответствует включенному, близкому или нерезонансному состоянию по отношению к длине волны плазмонного резонанса BNA.
Раствор, содержащий диэлектрические сферические частицы диаметром от 1 до 20 микрон, помещается на BNA и используется для отслеживания генерируемых потоков жидкости.
Разработка модели привела исследователей к нескольким важным выводам.
Это позволило им понять высокоскоростное движение частиц, наблюдаемое в экспериментах с плазмонным пинцетом, и они поняли, что включение слоя ITO имеет решающее значение для распределения тепловой энергии, создаваемой BNA — факт, который ранее игнорировался. Кроме того, они обнаружили, что только ITO можно использовать как простой альтернативный способ достижения конвекции жидкости в среде «лаборатория на кристалле».
Исследователи также заметили, что плазмонный массив изменяет поглощение в ITO, вызывая отклонение от поглощения Бера-Ламберта.