Поляризационный нанокомпозит на основе шунгита для задач фотоники: способ упрочнения

Введение. Поливинилспиртовые пленки являются неотъемлемой частью гибкой электроники, биосенсоров и жидкокристаллических элементов. Как и многие полимерные материалы, поливинилспиртовые пленки обладают относительно невысокими значениями механической прочности, что вынуждает производителей электронных и оптических компонентов использовать дополнительные защитные слои, которые, в свою очередь, могут ухудшать эффективность работы компонентов в системе. Один из известных способов управления физическими и химическими свойствами материалов – это их сенсибилизация наночастицами различной природы. В описываемой работе в качестве сенсибилизатора были выбраны наночастицы шунгита, так как этот природный нетоксичный материал широко известен своей упрочняющей способностью.
Цель работы. Получение поливинилспиртовых пленок, сенсибилизированных наночастицами шунгита. Исследование их спектральных и прочностных характеристик в зависимости от технологических параметров синтеза. Определение значений технологических параметров, при которых будет соблюдаться баланс между оптическими и механическими характеристиками.
Материалы и методы. Пленки синтезировались по технологии, разработанной в Государственном оптическом институте им. С. И. Вавилова. В качестве полимерной матрицы для создания композитного материала использовался поливиниловый спирт, в качестве наполнителя – наночастицы карельского шунгита с 30 %-м содержанием углерода. Спектральные характеристики пленок исследовались с помощью спектрофотометра УФ-3200, а прочностные характеристики определялись с помощью измерителя микротвердости ПМТ-3М производства АО "ЛОМО".
Результаты. Полученные пленки без дополнительной ламинирующей обработки обладают степенью поляризации более 90 % во всем видимом диапазоне спектра. Наночастицы шунгита способствуют увеличению прочности поливинилспиртовых пленок до 1.6 раз.
Заключение. Для современных устройств фотоники требуются материалы, сочетающие высокую поляризационную и пропускную способность с механической устойчивостью. Разработан эффективный способ улучшения прочности поливинилспиртовых поляризационных пленок с сохранением их оптических свойств, что расширило представление о регулировании механических свойств нанокомпозитов.

1. Shaw J. A., Vollmer M. Blue sun glints on water viewed through a polarizer // Applied Optics. 2017. Vol. 56, № 19. P. 36–41. doi: 10.1364/AO.56.000G36

2. Lightweight Visible Light Positioning for Wearables / Z. Yang, Z. Wang, J. Zhang, Ch. Huang, Q. Zhang // Mobile Computing and Communications. 2015. Vol. 19, № 3. P. 18–21. doi: 10.1145/2867070.2867077

3. Mercatelli L. Examining polarizing and nonpolarizing filters for road sports // Frontiers in Sports and Active Living. 2023. Vol. 5. Art. № 1236473. doi: 10.3389/fspor.2023.1236473

4. Zhang Y., Wu J. Advanced optical polarizers based on 2D materials // Nanophotonics. 2024. Vol. 1, № 28. P. 1–9. doi: 10.1038/s44310-024-00028-3

5. Kakiuchida H., Ogiwara A. Stimuli-Responsive Light-Diffusing Polarizers Self-Assembled of Liquid Crystals and Polymers // Advanced Optical Materials. 2024. Vol. 13, № 8. Art. № 2402711. doi: 10.1002/adom.202402711

6. Nahal A., Kiasatfar O. Self-organized nanograting: a plasmonic dichroic polarizer // Applied Physics A. 2025. Vol. 131. Art. № 346. doi: 10.1007/s00339-025-08479-x

7. Composite film polarizer based on the oriented assembly of electrospun nanofibers / Z. Hu, Z. Ma, M. Peng, X. He, H. Zhang, Y. Li, J. Qiu // Nanotechnology. 2016. Vol. 27, № 13. Art. № 135301. doi: 10.1088/0957-4484/27/13/135301

8. Yang Y., Forbes A., Cao L. A review of liquid crystal spatial light modulators: devices, technologies, and applications // Opto‑Electronic Science. 2023. Vol. 2, № 3. Art. № 230026. doi: 10.29026/oes.2023.230026

9. Recent advances and challenges in thermal stability of PVA-based film: A review / G. Suleiman, X. Zeng, R. Chakma, I. Y. Wakai, Y. Feng // Polymers for Advanced Technologies. 2024. Vol. 35, iss. 2. Art. № e6327. doi: 10.1002/pat.6327

10. The synthesis, mechanisms, and additives for biocompatible polyvinyl alcohol hydrogels: A review on current advances, trends, and future outlook / M. Yang, Z. Wang, M. Li, Zh. Yin, H. A. Butt // J of Vynyl and additive technology. 2022. Vol. 29, № 6. P. 939–959. doi: 10.1002/vnl.21962

11. Лихоманова С. В., Зверева Г. Н., Каманина Н. В. Влияние УФ-обработки на оптические и поверхностные характеристики пленок из поливинилового спирта, сенсибилизированного шунгитом // Письма в ЖТФ. 2023. Т. 49, вып. 21. С. 12–14. doi: 10.21883/PJTF.2023.21.56456.19664

12. Эффект просветления и рельеф поверхности тонких пленок поливинилового спирта при варьировании концентрации оксида графена: Возможные области применения / Н. В. Каманина, А. С. Тойкка, Я. В. Барнаш, Л. О. Федорова, Р. М. Таркан, М. А.Ошколов, Ю. А. Зубцова, С. В. Лихоманова, П. В. Кужаков // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2023. № 3. С. 87–97. doi: 10.18083/LCAppl.2023.3.87

13. Лихоманова С. В., Каманина Н. В. Влияние времени иодирования на спектральные и поляризационные характеристики поливинилспиртовых поляризаторов // Письма в ЖТФ. 2024. Т. 50, вып. 14. С. 40–43. doi: 10.61011/PJTF.2024.14.58309.19891

14. Polyvinyl alcohol-based polarizers for new displays: molecules, processing and properties / Y. Li, J. Xie, H. Cheng, X. Wei, J. Chen, L. You, W. Chen // Soft Matter. 2025. Vol. 21, iss. 17. P. 3148–3167. doi: 10.1039/d4sm01530d

15. Microhardness and wear behavior of nanodiamond-reinforced nanocomposites for dental applications / R. Moriche, J. Artigas‐Arnaudas, B. Chetwani, M. Sánchez, M. Campo, M. G. Prolongo, J. Rams, S. G. Prolongo, A. Ureña // Polymer Composites. 2024. Vol. 46, № 3. P. 2292–2303. doi: 10.1002/pc.29104

16. Sharafeddin F., Shirani M., Jowkar Z. Assessing the Impact of Nano-Graphene Oxide Addition on Surface Microhardness and Roughness of Glass Ionomer Cements: A Laboratory Study // Intern. J. of Dentistry. 2024. Vol. 2024, № 1. Art. № 5597367. doi: 10.1155/2024/5597367.

17. Соколов В. А. Геология и литология карбонатных пород среднего протерозоя Карелии. Л.: Изд-во АН СССР, 1963. 183 с.

18. Борисов П. А. Карельские шунгиты. Петрозаводск: Госиздат КФССР, 1956. 92 с.

19. Шлянин А. Н., Кайряк А. И., Калиник Ю. К. Шунгиты Карелии и пути их комплексного использования. Петрозаводск: Карелия, 1975. 240 с.

20. Шека Е. Ф., Рожкова Н. Н. Шунгит – природная кладовая наноразмерного восстановленного оксида графена // Наносистемы. 2014. Т. 6, № 1. С. 3–17.

21. Dimensionality, Function and Performance of Carbon Materials in Energy Storage Devices / J. Xiao, J. Han, Ch. Zhang, G. Ling, F. Kang, Q.-H. Yang // Advanced Energy Materials. 2021. Vol. 12, iss. 4. Art. № 2100775. doi: 10.1002/aenm.202100775

22. Carbon-rich shungite as a natural resource for efficient Li-ion battery electrodes / N. Chou, N. Pierce, Y. Lei, N. Perea-López, K. Fujisawa, Sh. Subramanian, J. A. Robinson, G. Chen, K. Omichi, S. S. Rozhkov, N. N. Rozhkova, M. Terrones, A. R. Harutyunyan // Carbon. 2018. Vol. 130. P. 105–111. doi: 10.1016/j.carbon.2017.12.109

23. Графеноподобный углерод шунгитовых пород карелии как основа для получения наноструктурированных пленок / А. А. Ковальчук, А. В. Приходько, О. И. Коньков, Н. Н. Рожкова // Тр. Карельского научного центра РАН. 2018. № 11. С. 121–127. doi: 10.17076/geo858

24. Шевченко Т. В., Устинова Ю. В. Определение биологической активности шунгита // Новейшие достижения в области медицины, здравоохранения и здоровьесберегающих технологий: сб. материалов I Междунар. конгресса. 2022. С. 504–506. doi: 10.21603/-I-IC-153

25. Тарасевич И. Ю., Бондаренко С. В. Исследование структурно-сорбционных и электрохимических свойств природного композитного материала шунгита // Коллоидный журн. 2008. № 3. С. 384–391.

26. Пыркин А. А., Лукутцова Н. П., Костюченко Г. В. К вопросу о повышении свойств мелкозернистого бетона микро- и нанодисперсными добавками на основе шунгита // Вестн. БГТУ им. В. Г. Шухова. 2011. № 2. С. 16–20.

27. Пат. RU 2 498 373 С2. Поляризационные пленки для видимого диапазона света с наноструктурированной поверхностью на основе углеродных нанотрубок и нановолокон / Н. В. Каманина, П. Я. Васильев, В. И. Студенов. Опубл. 10.11.2013. Бюл. № 31.

28. Huard S. Polarization of light. New York: Wiley, 1997. 352 p.

29. Composite Materials Property Determination by Rule of Mixture and Monte Carlo Simulation / G. Yerbolat, Sh. Amangeldi, Md. H. Ali, N. Badanova, A. Ashirbeok, G. Islam // IEEE Intern. Conf. on Advanced Manufacturing, Yunlin, Taiwan, 16–18 Nov. 2018. IEEE, 2018. P. 384–387. doi: 10.1109/AMCON.2018.8615034

30. MatWeb. URL: https://www.matweb.com (дата обращения: 18.05.2025).

31. Агабеков В. Е., Потапов А. Л., Шахаб С. Н. Поляризаторы на основе поливинилового спирта и пленки с наночастицами серебра: получение и применение (обзор) // Полимерные материалы и технологии. 2015. № 2. С. 6–35.