Ориентационные переходы в магнитокомпенсированных жидкокристаллических суспензиях ферромагнитных углеродных нанотрубок

Целью работы является изучение влияния ферромагнитных углеродных нанотрубок на ориентационные переходы в магнитокомпенсированных жидкокристаллических суспензиях.
Методы. Задача решалась в рамках континуальной теории. Путем минимизации функционала свободной энергии Гельмгольца получена система уравнений Лагранжа – Эйлера, определяющая равновесные зависимости углов ориентации директоров жидкого кристалла и примесных ферромагнитных углеродных нанотрубок, а также концентрационные распределения дисперсной фазы суспензии как функции поперечной координаты, материальных параметров и напряженности магнитного поля.
Результаты. Показано, что в присутствии внешнего магнитного поля жидкокристаллическая суспензия ферромагнитных углеродных нанотрубок может находиться в неоднородной фазе (угловая фаза) и двух однородных фазах (планарная и гомеотропная фазы). Аналитически получены выражения для пороговых полей переходов между сосуществующими ориентационными фазами как функции материальных параметров композита. Построены диаграммы ориентационных фаз суспензии.
Заключение. В результате исследований показано, что добавление малых концентраций ферромагнитных углеродных нанотрубок может существенно понизить порог магнитного перехода Фредерикса по сравнению с чистым жидким кристаллом, что является важным для различных технических приложений. Полученные аналитические формулы для пороговых полей переходов между различными ориентационными фазами могут применяться для определения энергии сцепления и материальных параметров суспензий ферромагнитных углеродных нанотрубок в жидком кристалле.

1. Development of liquid crystal displays and related improvements to their performances / S. Kobayashi, T. Miyama, H. Akiyama [et al.] // Proceedings of the Japan Academy, Series B. 2022. Vol. 98, no. 9. P. 493–516. https://doi.org/10.2183/pjab.98.025.

2. Tran A., Boott C. E., MacLachlan M. J. Understanding the self‐assembly of cellulose nanocrystals - toward chiral photonic materials // Advanced Materials. 2020. Vol. 32, no. 41. P. 1905876. https://doi.org/10.1002/adma.201905876.

3. Self-assembled liquid crystal architectures for soft matter photonics / L. L. Ma, C. Y. Li, J. T. Pan [et al.] // Light: Science & Applications. 2022. Vol. 11, no. 1. P. 270. https://doi.org/10.1038/s41377-022-00930-5.

4. Progress in radiations induced engineering of liquid crystals properties for high - performance applications / J. Prakash, D. Varshney, S. Chauhan [et al.] // Physics Reports. 2023. Vol. 1015. P. 1–23. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2023.03.003.

5. Shen W., Li G. Recent progress in liquid crystal‐based smart windows: materials, structures, and design // Laser & Photonics Reviews. 2023. Vol. 17, no. 1. P. 2200207. https://doi.org/10.1002/lpor.202200207.

6. Recent progress in functional dye‐doped liquid crystal devices / W. Shen, H. Zhang, Miao, Z. Ye // Advanced Functional Materials. 2023. Vol. 33, no. 6. P. 2210664. https://doi.org/10.1002/adfm.202210664.

7. Zhang K., Yu H. Chiroptical studies on nanoparticle-liquid crystal composites // Liquid Crystals. 2023. Vol. 50, no. 4. P. 572–583. https://doi.org/10.1080/02678292.2023.2188617.

8. Yulin C., Ma P., Gui S. Cubic and hexagonal liquid crystals as drug delivery systems // BioMed Research International. 2014. Vol. 4. https://doi.org/10.1155/2014/815981.

9. Advances in lyotropic liquid crystal systems for skin drug delivery / A. P. Silvestrine, A. L. Caron, J. Viegas [et al.] // Expert Opinion on Drug Delivery. 2020. Vol. 17, no. 12. P. 1781–1805. https://doi.org/10.1080/17425247.2020.1819979.

10. Smalyukh I. I. Liquid crystal colloids // Annual Review of Condensed Matter Physics. 2018. Vol. 9. P. 207–226. https://doi.org/10.1146/annurev-conmatphys-033117-054102.

11. Liquid crystallinity of carbon nanotubes / C. Chang, Y. Zhao, Y. Liu [et al.] // RSC advances. 2016. Vol. 8, no. 28. P. 15780–15795. https://doi.org/10.1039/C8RA00879E.

12. Singh S. Impact of dispersion of nanoscale particles on the properties of nematic liquid crystals // Crystals. 2019. Vol. 9, no. 9. P. 475. https://doi.org/10.3390/cryst9090475.

13. Shen Y. Dierking I. Perspectives in liquid-crystal-aided nanotechnology and nanoscience // Applied Sciences. 2019. Vol. 9, no. 12. P. 2512. https://doi.org/10.3390/app9122512.

14. Dierking I. From colloids in liquid crystals to colloidal liquid crystals // Liquid Crystals. 2019. Vol. 46, no. 13/14. P. 2057–2074. https://doi.org/10.1080/02678292.2019.1641755.

15. Metal oxide-nanoparticles and liquid crystal composites: A review of recent progress / J. Prakash, S. Khan, S. Chauhan, A. M. Biradar // Journal of Molecular Liquids. 2020. Vol. 297. P. 112052. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.112052.

16. Hähsler, M., Appel I., Behren S. Magnetic hybrid materials in liquid crystals // Physical Sciences Reviews. 2020. Vol. 7, no. 9. P. 1009–1032. https://doi.org/10.1515/psr-2019-0090.

17. Kumar A., Singh D. P., Singh G. Recent progress and future perspectives on carbon-nanomaterialdispersed liquid crystal composites // Journal of Physics D: Applied Physics. 2021. Vol. 55, no. 8. P. 083002. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac2ced.

18. Draude A. P., Dierking I. Thermotropic liquid crystals with low-dimensional carbon allotropes // Nano Express. 2021. Vol. 2, no. 1. P. 012002. https://doi.org/10.1088/2632-959X/abdf2d.

19. Rathinavel S., Priyadharshini K., Panda D. A review on carbon nanotube: An overview of synthesis, properties, functionalization, characterization, and the application // Materials Science and Engineering: B. 2021. Vol. 268. P. 115095. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2021.115095.

20. Effects of shape and solute-solvent compatibility on the efficacy of chirality transfer: Nanoshapes in nematics / A. Nemati, L. Querciagrossa, C. Callison [et al.] // Science Advances. 2022. Vol. 8, no. 4. P. eabl4385. https://doi.org/10.1126/sciadv.abl4385.

21. Petrescu E., Cirtoaje C. Dynamic behavior of a nematic liquid crystal with added carbon nanotubes in an electric field // Beilstein journal of nanotechnology. 2018. Vol. 9, no. 1. P. 223–241. https://doi.org/10.3762/bjnano.9.25.

22. Cirtoaje C., Petrescu E. The influence of single-walled carbon nanotubes on the dynamic properties of nematic liquid crystals in magnetic field // Materials. 2019. Vol. 12, no. 24. P. 4031. https://doi.org/10.3390/ma12244031.

23. Petrescu E., Cirtoaje C. Electric Properties of multiwalled carbon nanotubes dispersed in liquid crystals and their influence on transitions // Nanomaterials. 2022. Vol. 12, no. 7. P. 1119. https://doi.org/10.3390/nano12071119.

24. Stewart I. W. The static and dynamic continuum theory of liquid crystals: a mathematical introduction. London; New York: Taylor & Francis, 2004. P. 360. https://doi.org/10.1201/9781315272580.

25. Захлевных А. Н., Петров Д. А., Скоков П. К. Влияние ферромагнитных углеродных нанотрубок на магнитные переходы в жидких кристаллах // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2018. Т. 154, вып. 4 (10). С. 897–908. https://doi.org/10.1134/S0044451018100188.

26. Structural changes in liquid crystals doped with functionalized carbon nanotubes / P. Bury, M. Veveričík, P. Kopčanský, M. Timko, Z. Mitróová // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2018. Vol. 103. P. 1386–9477. https://doi.org/10.1016/j.physe.2018.05.008.

27. The influence of goethite nanorods on structural transitions in liquid crystal 6CHBT / P. Kopčanský, V. Gdovinová, S. Burylov [et al.] // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2018. Vol. 459. P. 16–32. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.12.086.

28. Ferromagnetic and antiferromagnetic liquid crystal suspensions: Experiment and theory / S. Burylov, D. Petrov, V. Lackova [et al.] // Journal of Molecular Liquids. 2021. Vol. 321. P. 114467. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.114467.

29. Influence of goethite nanorods on structural changes and transitions in nematic liquid crystal E7 / P. Bury, M. Veveričík, F. Černobila [et al.] // Crystals. 2023. Vol. 13, no. 2. P. 162. https://doi.org/10.3390/cryst13020162.

30. Zakhlevnykh A. N., Petrov D. A. Weak coupling effects and re-entrant transitions in ferronematic liquid crystals // Journal of Molecular Liquids. 2014. Vol. 198. P. 223–233. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2014.06.028.

31. Mertelj A., Lisjak D. Ferromagnetic nematic liquid crystals // Liquid Crystals Reviews. 2017. Vol. 5, no. 1. P. 1–33. https://doi.org/10.1080/21680396.2017.1304835.

32. Чаусов Д. Н., Курилов А. Д., Беляев В. В. Жидкокристаллические нанокомпозиты, легированные наночастицами редкоземельных элементов // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2020. Т. 20, вып. 2. С. 6–22.