Controlling Flow with Light: Bubble Induced Particle Transport around Plasmonic and Dielectric Nanostructure

Doctoral thesis, 2025

När vi lagar mat kan vi se hur kryddor och andra små partiklar rör sig med naturliga konvektionsströmmar och stiger från grytans uppvärmda botten till den svalare ytan av det kokande vattnet. Detta vardagliga fenomen illustrerar hur materia, i det här fallet kryddor, kan transporteras av ett flöde som uppstår på grund av en temperaturskillnad. Samma princip kan tillämpas i mikrofluidiska system där vätskor styrs och manipuleras på mikroskopisk skala.

Mikrofluidik handlar om att kontrollera små mängder vätska inom kanaler som vanligtvis bara är mellan tio och några hundra mikrometer breda. Att pumpa och styra flödet i dessa kanaler är särskilt utmanande på grund av det så kallade glidningsfria randvillkoret, en effekt där vätskans hastighet är noll vid en fast yta. Detta är samma princip som gör det svårt att dricka vatten genom ett mycket tunt sugrör och som gör att bubblor i ett glas mousserande vin rör sig långsammare nära glasets väggar. En mikrofluidisk kanal kan ses som ett extremt smalt sugrör, där traditionella pumpmetoder har svårt att generera tillräckligt starka flöden.

I denna avhandling undersöker vi hur termisk Marangoni-konvektion kan skapas och styras på mikronivå. Precis som vid naturlig konvektion skapar Marangoni-konvektion ett flöde från varmare till svalare områden. Dessa flöden är dock betydligt starkare än naturlig konvektion, vilket gör dem mycket effektiva för att transportera och styra vätskor i små kanaler. Termisk Marangoni-konvektion uppstår vanligtvis i gränsskikt där det finns en temperaturgradient, som exempelvis på ytan av en mikroskopisk ångbubbla i vatten.

För att skapa sådana temperaturgradienter på mikronivå krävs effektiva mikrovärmare. Sådana kan skapas genom att designa mikrostrukturer som absorberar och omvandlar ljusenergi till värme i en process som kallas optisk uppvärmning. Genom att kombinera optisk uppvärmning med Marangoni-flöden strävar vi efter att utveckla nya metoder för att manipulera vätskor på mikronivå, med potentiella tillämpningar inom bioteknologi.