Магнитооптический отклик жидкокристаллических суспензий ферромагнитных углеродных нанотрубок

Цель. Теоретически исследовать индуцированный внешним магнитным полем оптический отклик компенсированных суспензий ферромагнитных углеродных нанотрубок в нематическом жидком кристалле.
Методы. Задача решалась в рамках континуальной теории, в основе которой лежит функционал свободной энергии. Для описания ориентационной структуры жидкого кристалла и примесных ферромагнитных углеродных нанотрубок использовались две векторные величины – директоры, задающие направления преимущественной ориентации длинных осей молекул и нанотрубок. Так как в работе рассматривалась компенсированная суспензия, представляющая собой жидкокристаллический аналог антиферромагнетика, то дополнительно учитывались две равные объемные доли нанотрубок с магнитными моментами, направленными параллельно и антипараллельно директору жидкого кристалла. Таким образом, свободная энергия суспензии является функционалом относительно двух векторных и двух скалярных величин. Равновесные состояния системы определялись из условия минимума свободной энергии, в результате чего была получена система интегродифференциальных уравнений, которую удалось проинтегрировать. Численное решение итоговой системы уравнений осуществлялось с помощью метода многомерных секущих. Интегрирование проводилось с помощью метода Симпсона.
Результаты. Получена система интегральных уравнений ориентационного и магнитного равновесия компенсированной жидкокристаллической суспензии ферромагнитных углеродных нанотрубок. Для разных значений магнитного поля рассчитана оптическая разность фаз (фазовая задержка) между обыкновенным и необыкновенным лучами монохроматического света, прошедшего через плоскопараллельную ячейку с суспензией.
Вывод. Примесные углеродные нанотрубки, которые дополнительно наполнены или ковалентно функционализированы магнитными частицами, способны существенно усилить магнитоориентационный отклик нематической матрицы по сравнению с беспримесным жидким кристаллом. Это позволяет сделать прогноз о потенциальной возможности использования жидкокристаллических суспензий ферромагнитных углеродных нанотрубок в магнитооптических устройствах. 

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

2. Yang Y., Forbes A., Cao L. A review of liquid crystal spatial light modulators: devices and applications // Opto-Electronic Science. 2023. Vol. 2, no. 8. P. 230026-1–230026-29. https://doi.org/ 10.29026/oes.2023.230026.

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

4. 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.

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

6. Baldha R., Chakraborthy G. S., Rathod S. Current status and future prospects of lyotropic liquid crystals as a nanocarrier delivery system for the treatment of cancer // AAPS PharmSciTech. 2025. Vol. 26, no. 2. P. 58. https://doi.org/10.1208/s12249-025-03058-y.

7. A prospective pilot study on use of liquid crystal thermography to detect early breast cancer / D. Hodorowicz-Zaniewska, S. Zurrida, A. Kotlarz, P. Kasprzak, J. Skupień, A. Ćwierz [et al.] // Integrative Cancer Therapies. 2020. Vol. 19. P. 1534735420915778. https://doi.org/10.1177/ 1534735420915778.

8. Stewart I.W. The static and dynamic continuum theory of liquid crystals: a mathematical introduction. London: Taylor & Francis, 2004. 372 p.

9. Magnetic sensitivity of a dispersion of aggregated ferromagnetic carbon nanotubes in liquid crystals / O. Buluy, S. Nepijko, V. Reshetnyak, Ouskova E., V. Zadorozhnii, A. Leonhardt [et al.] // Soft Matter. 2011. Vol. 7, no. 2. P. 644–649. https://doi.org/10.1039/C0SM00131G.

10. Orientation control of liquid crystals using carbon-nanotube–magnetic particle hybrid materials / H.S. Jeong, S.C. Youn, Y.H. Kim, H.T. Jung // Physical Chemistry Chemical Physics. 2013. Vol. 15, no. 24. P. 9493–9497. https://doi.org/10.1039/C3CP00052D.

11. Chen R., Zhou Y., Li X. Cotton-derived Fe/Fe3C-encapsulated carbon nanotubes for highperformance lithium–sulfur batteries // Nano Letters. 2022. Vol. 22, no. 3. P. 1217–1224. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04380.

12. Dalir N., Javadian S. Synergistic effect of non-covalent interaction in colloidal nematic liquid crystal doped with magnetic functionalized single-walled carbon nanotubes // Journal of Applied Physics. 2018. Vol. 123, no. 11. P. 115103. https://doi.org/10.1063/1.5016388.

13. Чупеев И.А., Петров Д.А. Ориентационные переходы в магнитокомпенсированных жидкокристаллических суспензиях ферромагнитных углеродных нанотрубок // Известия ЮгоЗападного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2023. Т. 13, № 3. С. 182–198. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2023-13-3-182-198.

14. 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, № 4. С. 897–908. https://doi.org/10.1134/ S0044451018100188.

15. Захлевных А.Н., Петров Д.А. Ориентационные переходы в антиферромагнитных жидких кристаллах // Физика твердого тела. 2016. Т. 58, № 9. С. 1841–1850.

16. Gennes de P.G., Prost J. The physics of liquid crystals. Oxford: Clarendon Press, 1993. 597 р.