ITMO
ru/ ru

ISSN: 1023-5086

ru/

ISSN: 1023-5086

Scientific and technical

Opticheskii Zhurnal

A full-text English translation of the journal is published by Optica Publishing Group under the title “Journal of Optical Technology”

Article submission Подать статью
Больше информации Back

DOI: 10.17586/1023-5086-2026-93-06-96-106

УДК: 535.514.4, 535-45

Investigation of the properties of polarizing thin polymer films modified with shungite nanoparticles: experiments and quantum chemical modeling

Fedorova L.O., Kuzhakov, P.V., Kamanina, N.V.
For Russian citation (Opticheskii Zhurnal):

Федорова Л.О., Кужаков П.В., Каманина Н.В. Исследование свойств поляризационных тонких полимерных плёнок, модифицированных наночастицами шунгита: эксперименты и квантово-химическое моделирование // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 6. С. 96–106. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-06-96-106

 Fedorova L.O., Kuzhakov P.V., Kamanina N.V. Investigation of the properties of polarizing thin polymer films modified with shungite nanoparticles: experiments and quantum chemical modeling [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 6. P. 96–106. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-06-96-106

For citation (Journal of Optical Technology):
-
Abstract:

Subject of study. Polarization and mechanical properties of iodinated polyvinyl alcohol films modified with shungite nanoparticles. Aim of study. Determination of optimal values of the degree of stretching and concentration of shungite for the creation of polyvinyl alcohol films, in which the values of transmission of the parallel component of the light flux in the visible range of the spectrum and the microhardness of the surface are maximum, and the degree of polarization of the films reaches 90–99%. Method. To study the influence of process parameters on the characteristics of the films, the following were varied: 1) shungite concentration — from 0 to 0.15 wt.%; 2) the degree of film stretching — from 1.8 to 3.3 times. Spectral characteristics were measured using an SF-26 spectrophotometer, and the microhardness values of the film surfaces were determined using a PMT-3M microhardness meter. Qualitative models were calculated using the GaussView5.0 and Gaussian 09W softwares. Main results. When sensitizing polyvinyl alcohol polarizing films with shungite nanoparticles, the values of their polarization degree exceed 97% in the entire visible spectrum range. Stretching the films by 3.3 times at a shungite concentration of 0.10 wt.% ensures maximum transmission of the parallel component of light, and at 0.05 wt.% — the best surface microhardness. Practical significance. Improved spectral properties of polarizing films contribute to the increase in the efficiency of optical systems and devices. Increased values of surface microhardness exclude more complex strengthening technologies.

Keywords:

thin polarizing films, shungite, polyvinyl alcohol, transmission spectra, degree of polarization, microhardness of the surface

Acknowledgements:

the authors would like to thank the colleagues of the laboratory “Photophysics of Nanostructured Materials and Devices” for discussing the results. The authors thank Prof. N. V. Rozhkova, Head of the Laboratory of Physico-Chemical Research of Nanomaterials at the Institute of Geology of the KarSC RAS, for providing shungite rock powder. This work was supported by the Russian Science Foundation, Project № 24-23-00021 (https://rscf.ru/prjcard_int?24-23-00021).

OCIS codes: 160.1190, 230.5440, 160.4760

References:
  1. Li Y., Xie J., Cheng H. et al. Polyvinyl alcohol based polarizer for new displays: Molecule, processing and properties // Soft Matter. 2025. P. 3148−3167. https://doi.org/10.1039/D4SM01530D
  2. Zhou Y., Guo Z., Gu H. et al. A solution-processable natural crystal with giant optical anisotropy for efficient manipulation of light polarization // Nat. Photon. 2024. № 18. P. 922–927. https://doi.org/10.1038/s41566-024-01461-8
  3. Wu R., Jiang K., Jiang X. et al. Metasurface-based circular polarizer with a controllable phase and its application in holographic imaging // Optics Letters. 2024. № 3. P. 774−777. https://doi.org/10.1364/OL.511135
  4. Студенов В.И., Виноградова О.В. Способ изготовления поляризационных светофильтров для ультрафиолетовой области спектра // Патент РФ № SU1631488A1. 1991.                                                       Studenov V.I., Vinogradova O.V. A method for manufacturing polarizing light filters for the ultraviolet region of the spectrum // RF Patent № SU1631488A1. 1991.
  5. Li Y., Xie J., Cheng H. et al. Polyvinyl alcohol-based polarizers for new displays: molecules, processing and properties // Soft Matter. 2025. № 21. P. 3148–3167. https://doi.org/10.1039/d4sm01530d
  6. Каманина Н.В., Васильев П.Я., Студёнов В.И. Поляризационные плёнки для видимого диапазона света с наноструктурированной поверхностью на основе углеродных нанотрубок и нановолокон // Патент РФ № 2498373 (RU 2 498 373 С2). 2013.                                                                                                                Kamanina N.V., Vasiliev P.Ya, Studenov V.I. Polarizing films for the visible range of light with a nanostructured surface based on carbon nanotubes and nanofibers // RF Patent № 2498373 (RU 2 498 373 С2). 2013.
  7. Каманина Н.В., Лихоманова С.В., Васильев П.Я. и др. Изменение поверхностных свойств тонкопленочных поляризаторов с углеродными наноструктурами // Письма в ЖТФ. 2011. № 24. С. 49−56.                          Kamanina N.V., Likhomanova S.V., Vasiliev P.Y. et al. Changes in the surface properties of thin-film polarizers with carbon nanostructures [in Russian] // Letters in ZHTF. 2011. № 24. P. 49−56.
  8. Лихоманова С.В., Каманина Н.В. Влияние времени йодирования на спектральные и поляризационные характеристики поливинилспиртовых поляризаторов // Письма в ЖТФ. 2024. № 14. С. 40−43. http://doi.org/10.61011/PJTF.2024.14.58309.19891                                                                                                         Likhomanova S.V., Kamanina N.V. Influence of iodination time on spectral and polarization characteristics of polyvinyl alcohol polarizers [in Russian] // Letters in ZHTF. 2024. № 14. P. 40−43.
  9. Kamanina N., Fedorova L., Likhomanova S. et al. Impact of carbon-based nanoparticles on polyvinyl alcohol polarizer features: Photonics applications // Nanomaterials. 2024. № 14. P. 1−11. https://doi.org/10.3390/nano14090737
  10. Шека Е.Ф., Рожкова Н.Н. Шунгит − природная кладовая наноразмерного восстановленного оксида графена // РЭНСИТ. 2014. № 1. С. 3−17.                                                                                                                 Sheka E.F., Rozhkova N.N. Shungite − a natural storehouse of nanoscale reduced graphene oxide [in Russian] // RENSIT. 2014. № 1. P. 3−17.
  11. Мосин О.В., Игнатов И.И. Природный фуллереносодержащий материал шунгит в производстве строительных материалов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2013. № 12. С. 28−31.                                                                                                                                                                   Mosin O.V., Ignatov I.I. Natural fullerene-containing material shungite in the production of building materials [in Russian] // Building materials, equipment, technologies of the XXI century. 2013. № 12. P. 28−31.
  12. Садовничий Р.В., Михайлина А.А., Рожкова Н.Н. и др. Морфологические и структурные особенности кварца шунгитовых пород максонской залежи // Труды Карельского научного центра РАН. 2016. № 2. С. 73–88. http://doi.org/10.17076/geo126                                                                                                                Sadovnichy R.V., Mikhailina A.A., Rozhkova N.N. et al. Morphological and structural features of quartz of shungite rocks of the masonic deposit [in Russian] // Proceedings of the Karelian Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2016. № 2. P. 73–88.
  13. Chausov D.N., Kurilov A.D., Kazak A.V. et. al. Dielectric properties of liquid crystalline composites doped with nano-dimensional fragments of shungite carbon // Liquid Crystals. 2019. № 46(9). P. 1345−1352. https://doi.org/10.1080/02678292.2019.1566503
  14. Федорова Л.О., Каманина Н.В. Модификация прозрачного проводящего ITO-покрытия наночастицами шунгита // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2024. № 1. С. 5−12. http://doi.org/10.32603/2071-8985-2024-17-1-5-12    Fedorova L.O., Kamanina N.V. Modification of a transparent conductive ITO coating with shungite nanoparticles [in Russian] // Reports of. SPbSETU "LETI". 2024. № 1. P. 5−12. http://doi.org/10.32603/2071-8985-2024-17-1-5-12
  15. Агабеков В.Е., Потапов А.Л., Шахаб С.Н. и др. Поляризаторы на основе поливинилового спирта и пленки с наночастицами серебра: получение и применение (обзор) // Полимерные материалы и технологии. 2015. № 2. С. 6–35.                                                                                                                                                               Agabekov V.E., Potapov A.L., Shahab S.N. et al. Polarizers based on polyvinyl alcohol and films with silver nanoparticles: production and application (review) [in Russian] // Polymer materials and technologies. 2015. № 2. P. 6–35.
  16. Huard S. Polarization of light. NYC: Wiley, 1997. 352 p.
  17. Бутырская Е.В. Компьютерная химия: Основы теории и работа с программами Gaussian и Gaussview. М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. 224 c.                                                                                                                    Butyrskaya E.V. Computer chemistry: Fundamentals of theory and work with Gaussian and Gaussview programs [in Russian]. M.: Solon press, 2011. 224 p.
  18. Лихоманова С.В., Зубцова Ю.А. Каманина Н.В. Поляризационные свойства йодно-поливинилспиртовых поляризаторов, сенсибилизированных оксидом графена // Оптический журнал. 2023. № 7. С. 101–106. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-07-101-106                                                                         Likhomanova S.V., Zubtsova Y.A., Kamanina N.V. Polarization properties of iodine-polyvinyl alcohol polarizers sensitized with graphene oxide // Journal of Optical Technology. 2023. V. 90. № 7. P. 414−416. https://doi.org/10.1364/JOT.90.000414
  19. Каманина Н.В., Федорова Л.О., Лихоманова С.В. Тонкопленочные поляризаторы видимого спектрального диапазона с введенными наночастицами кварца: о возможном нарушении тенденции увеличения микротвердости при наноструктурировании полимерной матрицы // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2024. № 2. С. 75−82. http://doi.org/10.18083/LCAppl.2024.2.75                                                 Kamanina N.V., Fedorova L.O., Likhomanova S.V. Thin-film polarizers of the visible spectral range with introduced quartz nanoparticles: on a possible violation of the trend of increasing microhardness during nanostructuring of a polymer matrix [in Russian] // Liquid crystals and their practical appl. 2024. № 2. P. 75−82. http://doi.org/10.18083/LCAppl.2024.2.75
  20. Каманина Н.В., Тойкка А.С., Барнаш Я.В. и др. Эффект просветления и рельеф поверхности тонких пленок поливинилового спирта при варьировании концентрации оксида графена: возможные области применения // Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2023. № 3. С. 87–97. http://doi.org/10.18083/LCAppl.2023.3.87                                                                                                                        Kamanina N.V., Toikka A.S., Barnash Ya.V. and others. The effect of illumination and surface relief of thin films of polyvinyl alcohol with varying concentrations of graphene oxide: possible applications [in Russian] // Liquid crystals and their practical appl. 2023. № 3. P. 87–97. http://doi.org/10.18083/LCAppl.2023.3.87