Графитът магнитен ли е? Разберете истината

Забелязах, че се водят спорове дали графитът е магнитен или не. Като професионалист доставчик на неодимови магнити, реших да се разровя в детайлите и да стигна до дъното на тази въглеродна главоблъсканица.

Позволете ми да ви разкажа за това, което открих в моите изследвания на графитния магнетизъм.

Графитът магнитен ли е?

Краткият отговор е, че графитът обикновено се счита за немагнитен или диамагнитен. Това означава, че чистият графит не действа като магнит, а всъщност може леко да отблъсква магнитни полета поради разположението на въглеродните атоми.

Това правило обаче има някои усложнения и изключения:

• Графитът може да прояви слаб диамагнетизъм поради сдвоените си електрони и структура.
• При определени условия, като например дефекти в решетката или облъчване с протони, графитът може да прояви феромагнетизъм.
• Фактори като примеси и алотропна структура могат да повлияят на магнитните свойства на графита.
• Еднослойният графен показва изключително поведение, както и графитът в някои външни полета.
• Последните постижения показват начини за промяна на графита, за да стане той магнитен.

Така че, макар естественият графит да не е магнитен, неговите свойства са сложни. При определени обстоятелства индуцираните промени могат да доведат до магнитно поведение.

Нека разнищим подробностите...

Диамагнетизъм: Състояние по подразбиране на графита

Ключът към разбирането на магнетизма на графита се крие в структурата на въглеродните му атоми.

Графитът има слоеста структура, като всеки атом е свързан с три съседни в решетка, която прилича на пчелна пита. Свободният електрон образува "пи-връзка" със слоевете над и под него.

Тази пи-връзка делокализира електрона и му позволява да се движи свободно. Ето защо графитът провежда електричество, въпреки че се смята за полуметал.

Но какво означава това за магнетизма?

Когато електроните им са сдвоени, всеки въглероден атом има няма нетен магнитен момент. Така слоевете от атоми се стремят да се унищожат взаимно, вместо да се подредят магнитно.

Ето защо графитът е диамагнетичен - свойство, при което слабо отблъсква външните магнитни полета, вместо да се привлича като желязото.

За да си го представите, можете да си представите диамагнитните материали като леки магнитни огледала. Те отразяват обратно полето, което попада върху тях, тъй като техните сдвоени електрони се противопоставят на преориентацията.

Ето защо чистият графит като цяло показва слаб магнетизъм - всеки атом противодейства на малкото поле на своя съсед.

За щастие графитът има допълнителни странности, които му придават магнетична индивидуалност...

Когато графитът става феромагнитен

Противно на общоприетото схващане, девственият графит може да демонстрират феромагнетизъм дори при стайна температура.

Тайната се крие в тези пи-свързани електронни слоеве. Оказва се, че те могат да взаимодействат магнитно в зависимост от това как са подредени.

Изследователите откриват, че когато два графенови слоя имат противоположни диамагнитни ориентации, магнитните им моменти се анулират (антиферомагнитно подреждане). При други ориентации те могат да генерират малки магнитни полета (феромагнетизъм).

Но само ориентацията на слоевете не е причина за скрития магнетизъм на графита. Структурните дефекти също играят решаваща роля.

Виждате, че никой материал не е идеален. Когато графитът се образува, слоевете оставят след себе си топологични дефекти: липсващи атоми, 8-членни въглеродни пръстени вместо хексагонални и други подобни.

Тези дефекти действат като магнитна личност, която липсва на графита. Те внасят свободни електрони, точно както би направило допирането на графита с други елементи. Само че тук магнетизмът се дължи само на въглерода!

Дефектите на решетката създават 2D магнитни мрежи

За изучаване на дефектния магнетизъм учените използват техники като сканираща тунелна микроскопия. Това им позволява да изследват структурата на графита един по един.

Благодарение на напредъка в микроскопията изследователи от Нидерландия откриват нещо невероятно през 2008 г.

Оказва се, че много места с дефекти се свързват магнетично със съседните. Така се образува двуизмерна мрежа от магнетизъм в рамките на всеки графенов лист!

Мрежа от магнитно свързани дефекти (doi.org/10.1038/nphys1399)

Холандският екип показа, че тези 2D ленти се свързват и през листове. Така че всъщност имате 3D решетка от магнитно активни неравности в иначе диамагнитен графит!

Нищо чудно, че графитът има толкова сложни магнитни свойства. 🙂

Примеси и алотропи объркват магнетизма

Освен вградените дефекти, чужди елементи също могат да внесат магнетизъм. Например, добавянето на бор или азот оставя свободни електрони, които позволяват феромагнетизъм.

Този ефект на допиране е важен, тъй като суровият графит съдържа много примеси. Прах, глина, малки метални частици - всички те влияят на магнитната реакция.

Ето защо различните източници на графит се усещат повече или по-малко магнетични. Нивата на примесите варират непредсказуемо, така че магнетизмът зависи до голяма степен от конкретната проба.

Графитът има структурни разновидности, наречени алотропи. Графенът (еднослоен), нанотръбите, топчетата buckyballs, въгленът, диамантът... всички те имат общи свойства като проводимост въпреки уникалната си структура.

И тъй като геометрията определя електронната конфигурация на материала, всеки въглероден алотроп взаимодейства с магнетизма по различен начин:

• Диамант - немагнитен
• Графен - присъщ квантов магнетизъм
• Нанотръбички - променлив магнетизъм от дефекти
• Бакбони - диамагнитни
• Аморфен въглерод - сложен магнетизъм от примеси

Така че въпросът "Магнитен ли е графитът?" не е най-подходящият. Отговорът зависи от който графит имате предвид!

Нищо чудно, че темата е толкова объркваща. 🙂

Външни фактори огъват магнетизма на графита

Освен вградените характеристики като дефекти и геометрия, външните влияния също променят магнетизма на графита.

От една страна, учените откриха, че могат да предизвикат феромагнетизъм чрез облъчване на графит с протони. Радиацията измества въглеродните атоми, оставяйки дефекти, които се свързват магнитно. Доста диво!

Температурата също променя диамагнетизма на графита, макар и не много. Оказва се, че топлинната енергия лесно преодолява слабата магнитна връзка между слоевете.

Въпреки това изключително високите температури (например в дъгова пещ) оказват влияние върху електронната конфигурация на графита. Така че, докато ежедневните температури водят до незначителни промени, екстремната топлина променя донякъде магнитната реакция.

Последният външен модификатор на магнетизма е просто прилагане на външно магнитно поле. Дори магнит за хладилник може да предизвика леко противоположно поле в графита благодарение на диамагнетизма.

Силните лабораторни полета засилват този ефект. Но индуцираното поле остава сравнително малко и временно - графитът не става трайно магнитен като желязото.

Напредъкът позволява използването на магнитен графит

Добрата новина е, че учените намират начини да заобиколят непостоянния магнетизъм на графита. Един от начините е умелото химическо модифициране...

Например изследователи от Университета Райс превръщат графита в магнитен чрез присъединяване на хидроксилни групи. Тяхното съединение (флуорографен) запазва магнетизма си дори при изгарящи температури - определено не типично поведение на графита!

Флуорографова решетка - кредит A.G. Rajan et. al (10.1021/jacs.6b12239)

Междувременно други откриха, че облъчването на графена го прави и магнитен.

Подходи като графен с протонно запечатване едва ли ще работят в голям мащаб. Но на изследователско ниво те показват, че графитът може да бъде принуден да стане магнитен с достатъчно креативност.

Заключение: Сложно е!

Така че в резюме - е графит магнитен?

Обиколката на никела ни казва, че той е диамагнитен и като цяло немагнитен. И въз основа на структурата на подредените кристали на графита това е точна оценка.

Но ако се вгледате по-внимателно, ще откриете различни сложности:

• Дефектите в решетката предизвикват локален магнетизъм
• Някои ориентации на слоевете се свързват магнитно
• Примеси придават феромагнетизъм чрез допълнителни електрони
• Алотропната геометрия предизвиква неочаквани ефекти
• Външни фактори като топлина и магнити оказват допълнително влияние

И въпреки главоболията, които тази сложна система носи, учените са намиране на начини графитът да бъде привлечен от магнити... поне в лабораторията.

Така че, въпреки че обикновеният графит не е изключително магнетичен, истинската история има много нюанси. Връзката на графита с магнетизма всъщност е богата и завладяващо сложна!