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Tese

Numerical design of all-dielectric nanophotonic optical tweezers for lossless manipulation of small nanoparticles (2022)

  • Authors:
  • Autor USP: SARRIA, JHON JAMES HERNANDEZ - IFSC
  • Unidade: IFSC
  • Sigla do Departamento: FCM
  • DOI: 10.11606/T.76.2022.tde-14022023-094704
  • Assunto: ÓPTICA
  • Keywords: Aprisionamento óptico estável; Aquecimento Joule; Conventional optical tweezers; Forças ópticas e enantiosseletividade; Joule heating; Optical forces and enantioselectivity; Pinças ópticas convencionais; Pinças plasmônicas; Plasmonic tweezers; Stable optical trapping
  • Agências de fomento:
  • Language: Inglês
  • Abstract: Pinças ópticas convencionais são úteis em biociências para manipular micropartículas, moléculas de DNA, estruturas semicondutoras de baixa dimensão e nanopartículas metálicas usando a propagação de feixes de laser. No entanto, o aprisionamento óptico eficaz de pequenas biomoléculas de alguns nanômetros requer feixes de laser de alta potência e altamente focados, que podem danificar ou queimar partículas sensíveis à temperatura. A fim de evitar altas intensidades de potência e ultrapassar o limite de difração da luz, pinças plasmônicas são empregadas para localizar, segurar e transportar corpos de alguns nanômetros. Nessa abordagem, os campos ópticos são confinados além do limite de difração em pequenos volumes, com tamanhos típicos de algumas dezenas de nanômetros (hotspots), que surgem próximos à superfície de uma nanoestrutura metálica quando os plásmons de superfície são excitados. Além disso, os fortes campos próximos evanescentes aumentam a força óptica resultante no regime de Rayleigh. Infelizmente, o aquecimento eletromagnético devido às perdas ôhmicas dos componentes plasmônicos limita consideravelmente a faixa de aplicação das pinças plasmônicas, e o aprisionamento óptico estável de nano moléculas sensíveis à temperatura permanece como um desafio. Para superar o aquecimento Joule, nanoestruturas sofisticadas feitas de materiais de alto índice de refração (HRI) com melhoras e confinamentos de campo eletromagnético foram propostas para aprisionamento óptico deentidades nano biológicas. Nesta tese de doutorado, é apresentado um projeto de um nanodisco totalmente dielétrico para capturar pequenas moléculas biológicas aquirais e quirais dielétricas sem aquecer o ambiente circundante. Usando um nanodisco HRI, colocado acima do substrato semi-infinito de SiO2 e imerso em água, foi alcançado um aprisionamento óptico eficiente de nanopartículas esféricas com raio tão pequeno quanto 12 nm. Tal aprisionamento óptico estável, onde a profundidade do poço de potencial de aprisionamento é superior a 10kBT em módulo, foi obtido usando o modo anapolo não radiante de segunda ordem em um nanodisco de Si amorfo com diâmetro d = 420 nm e altura h = 100nm, com uma ranhura retangular no centro. Nanoesferas com raio tão pequeno quanto r = 8 no centro da ranhura são submetidas a forças ópticas de alguns pNs, com aprisionamento forte o suficiente para movê-las. Esses resultados foram alcançados com um feixe de laser bem focado no infravermelho e com intensidades moderadas de iluminação, sem produzir aumentos indesejados de temperatura dentro e ao redor da nanoestrutura. Também demonstramos que nanodiscos totalmente dielétricos feitos de silício amorfo (a-Si) podem exibir dois poços de potenciais ópticos bem perto entre si. Assim, o aprisionamento óptico simultâneo de duas nanopartículas em água foi investigado numericamente para determinar a influência que tem uma nanopartícula esférica aprisionada sobre uma outra partícula próxima, que tem morfologiadiferente. Esta abordagem pode ser útil para monitorar experimentalmente a interação entre um par de moléculas biológicas, como duas proteínas ou uma proteína com um anticorpo, sob condições isoladas e controladas. Além disso, para distinguir enantiômeros em uma amostra racêmica, foi introduzida uma plataforma totalmente dielétrica quiral com atividade quiróptica não desprezível. Nesta plataforma, duas forças ópticas, as forças dielétrica e gradiente quiral, competem para garantir a enantiosseletividade no regime de Rayleigh. Todas as propriedades ópticas apresentadas na tese foram determinadas utilizando o software comercial COMSOL Multiphysics e Lumerical FDTD. Os módulos de transferência de calor e dinâmica de fluidos computacional (CFD) foram usados de forma acoplada no Comsol Multiphysics para estudar numericamente a distribuição de temperatura e o movimento do fluido induzido quando as nanoestruturas dielétricas são iluminadas com comprimentos de onda curtos
  • Imprenta:
  • Data da defesa: 07.12.2022
    • Acesso à fonteAcesso à fonteDOI
    Informações sobre o DOI: 10.11606/T.76.2022.tde-14022023-094704 (Fonte: oaDOI API)
    • Este periódico é de acesso aberto
    • Este artigo é de acesso aberto
    • URL de acesso aberto
    • Cor do Acesso Aberto: gold
    • Licença: cc-by-nc-sa
    How to cite
    A citação é gerada automaticamente e pode não estar totalmente de acordo com as normas

    • ABNT

      HERNANDEZ SARRIA, Jhon James. Numerical design of all-dielectric nanophotonic optical tweezers for lossless manipulation of small nanoparticles. 2022. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Carlos, 2022. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-14022023-094704/. Acesso em: 27 dez. 2025.

    • APA

      Hernandez Sarria, J. J. (2022). Numerical design of all-dielectric nanophotonic optical tweezers for lossless manipulation of small nanoparticles (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Carlos. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-14022023-094704/

    • NLM

      Hernandez Sarria JJ. Numerical design of all-dielectric nanophotonic optical tweezers for lossless manipulation of small nanoparticles [Internet]. 2022 ;[citado 2025 dez. 27 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-14022023-094704/

    • Vancouver

      Hernandez Sarria JJ. Numerical design of all-dielectric nanophotonic optical tweezers for lossless manipulation of small nanoparticles [Internet]. 2022 ;[citado 2025 dez. 27 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-14022023-094704/

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