Je grafit magnetický? Zjistěte pravdu

Všiml jsem si, že se diskutuje o tom, zda je grafit magnetický, nebo ne. Jako profesionál dodavatel neodymových magnetů, rozhodl jsem se prozkoumat podrobnosti a přijít této uhlíkové hádance na kloub.

Dovolte mi, abych vás seznámil s tím, co jsem zjistil při svém výzkumu magnetismu grafitu.

Je grafit magnetický?

Krátká odpověď je, že grafit je obecně považován za nemagnetický nebo diamagnetický.. To znamená, že čistý grafit se nechová jako magnet a ve skutečnosti může mírně odpuzovat magnetické pole díky uspořádání atomů uhlíku.

Toto pravidlo má však některé složitosti a výjimky:

• Grafit může vykazovat slabý diamagnetismus díky párovým elektronům a struktuře.
• Za určitých podmínek, jako jsou mřížkové defekty nebo protonové ozáření, může grafit vykazovat feromagnetismus.
• Magnetické vlastnosti grafitu mohou ovlivnit faktory, jako jsou nečistoty a alotropní struktura.
• Jednovrstvý grafen vykazuje výjimečné chování, stejně jako grafit v některých vnějších polích.
• Nedávné pokroky ukázaly způsoby, jak upravit grafit tak, aby byl magnetický.

Ačkoli je přírodní grafit obvykle nemagnetický, jeho vlastnosti jsou složité. Za určitých okolností mohou indukované změny vést k magnetickému chování.

Pojďme se podívat na podrobnosti...

Diamagnetismus: Výchozí stav grafitu

Klíč k pochopení magnetismu grafitu spočívá ve struktuře atomů uhlíku.

Grafit má vrstevnatou strukturu, každý atom je spojen se třemi sousedními atomy v mřížce, která vypadá jako včelí plástve. Volný elektron tvoří s vrstvami nad a pod ním vazbu "pí".

Tato vazba pí delokalizuje elektron a umožňuje mu volně se pohybovat. Proto grafit vede elektřinu, přestože je považován za polokov.

Co to však znamená pro magnetismus?

Každý atom uhlíku, který má všechny elektrony spárované, má tedy žádný čistý magnetický moment. Vrstvy atomů se tedy spíše vzájemně vyruší, než aby se magneticky vyrovnaly.

Proto je grafit ve výchozím stavu diamagnetismu - vlastnosti, kdy slabě odpuzuje vnější magnetické pole, místo aby se přitahoval jako železo.

Pro představu si můžete diamagnetické materiály představit jako lehká magnetická zrcadla. Odrážejí zpět pole, které na ně dopadá, protože jejich párové elektrony odolávají změně orientace.

Proto čistý grafit obecně vykazuje malý magnetismus - každý atom působí proti malému poli svého souseda.

Grafit má naštěstí další zvláštnosti, které do něj vnášejí magnetickou osobitost...

Když se grafit stane feromagnetickým

Navzdory všeobecnému přesvědčení je nedotčený grafit může vykazují feromagnetismus, a to i při pokojové teplotě.

Tajemství se skrývá v těchto vrstvách s elektronovou vazbou pi. Ukázalo se, že mohou interagovat magneticky v závislosti na tom, jak jsou vrstvy poskládány dohromady.

Vědci zjistili, že když mají dvě vrstvy grafenu opačnou diamagnetickou orientaci, jejich magnetické momenty se vyruší (antiferomagnetické stohování). Při jiné orientaci mohou vytvářet malá magnetická pole (feromagnetismus).

Samotná orientace vrstev však není příčinou skrytého magnetismu grafitu. Klíčovou roli hrají také strukturní vady.

Žádný materiál není dokonalý. Když se grafit formuje, vrstvy zanechávají topologické defekty: chybějící atomy, osmičlenné uhlíkové kruhy místo šestičlenných a podobně.

Tyto vady působí jako magnetická osobnost, kterou grafit postrádá. Vnášejí do grafitu volné elektrony stejně jako při dopování jinými prvky. Až na to, že zde magnetismus vychází pouze z uhlíku!

Mřížkové defekty vytvářejí 2D magnetické sítě

Ke studiu magnetismu defektů vědci používají techniky, jako je skenovací tunelová mikroskopie. Ta jim umožňuje zkoumat strukturu grafitu po jednotlivých vrstvách.

Díky pokroku v mikroskopii objevili nizozemští vědci v roce 2008 něco neuvěřitelného.

Ukázalo se, že mnoho míst s defektem se magneticky spojuje se svými sousedy. To vytváří 2D síť magnetismu v rámci každý grafenový list!

Síť magneticky vázaných defektů (doi.org/10.1038/nphys1399)

Nizozemský tým ukázal, že tyto 2D pásy se spojují i napříč listy. Ve skutečnosti tedy máme 3D mřížku magneticky aktivních nepravidelností v jinak diamagnetickém grafitu!

Není divu, že grafit má tak složité magnetické vlastnosti. 🙂

Nečistoty a alotropy zmatňují magnetismus

Kromě vestavěných vad mohou magnetismus vnášet i cizí prvky. Například přidáním boru nebo dusíku zůstávají volné elektrony, které umožňují feromagnetismus.

Tento dopingový efekt je důležitý, protože surový grafit obsahuje velké množství nečistot. Prach, hlína, drobné kovové částice - to vše ovlivňuje magnetickou odezvu.

Proto jsou různé zdroje grafitu více či méně magnetické. Množství nečistot se nepředvídatelně liší, takže magnetismus do značné míry závisí na konkrétním vzorku.

Situaci dále komplikuje fakt, že grafit má strukturní odrůdy zvané alotropy. Grafen (jednovrstvý), nanotrubičky, buckyballs, dřevěné uhlí, diamant... mají navzdory své jedinečné struktuře společné vlastnosti, jako je vodivost.

A protože geometrie určuje elektronickou konfiguraci materiálu, každý uhlíkový alotrop interaguje s magnetismem jinak:

• Diamant - nemagnetický
• Grafen - vlastní kvantový magnetismus
• Nanotrubičky - proměnlivý magnetismus z defektů
• Buckyballs - diamagnetické
• Amorfní uhlík - komplexní magnetismus z nečistot

Takže "Je grafit magnetický?" není zrovna nejlepší otázka. Odpověď závisí na který grafit myslíte!

Není divu, že je to tak matoucí téma. 🙂

Vnější faktory ohýbají magnetismus grafitu

Kromě zabudovaných vlastností, jako jsou vady a geometrie, mění magnetismus grafitu také vnější vlivy.

Vědci například zjistili, že mohou vyvolat feromagnetismus ozářením grafitu protony. Záření vytěsní atomy uhlíku a zanechá defekty, které se magneticky spojí. Docela divoké!

Teplota také mění diamagnetismus grafitu, i když ne o mnoho. Ukázalo se, že tepelná energie snadno překonává slabou magnetickou vazbu mezi vrstvami.

Extrémně vysoké teploty (např. v obloukové peci) však mají vliv na elektronovou konfiguraci grafitu. Takže zatímco běžné teploty přinášejí zanedbatelné změny, extrémní teplo magnetickou odezvu poněkud mění.

Posledním externím modifikátorem magnetismu je jednoduché použití externího magnetického pole. Dokonce i magnet na ledničku může díky diamagnetismu vyvolat v grafitu mírné opačné pole.

Silná laboratorní pole tento efekt zesilují. Indukované pole však zůstává poměrně malé a dočasné - grafit se nestává trvale magnetickým jako železo.

Pokroky umožňují použití magnetického grafitu

Dobrou zprávou je, že vědci hledají způsoby, jak nestálý magnetismus grafitu obejít. Jednou z cest je chytrá chemická modifikace...

Například vědci z Riceovy univerzity změnili grafit na magnetický připojením hydroxylových skupin. Jejich sloučenina (fluorografen) si udržela magnetismus i při spalujících teplotách - což rozhodně není typické chování grafitu!

Fluorografenová mřížka - Kredit A.G. Rajan et. al (10.1021/jacs.6b12239)

Jiní zase zjistili, že ozáření grafenu jej činí magnetickým.

Přístupy, jako je proton-zapping grafen, pravděpodobně nebudou fungovat ve velkém měřítku. Na výzkumné úrovni však ukazují, že grafit může být s dostatečnou kreativitou magnetický.

Závěr: Je to... složité!

Takže shrnutí - je magnetický grafit?

Prohlídka niklu nám říká, že je diamagnetický a obecně nemagnetický. A na základě struktury uspořádaných krystalů grafitu je to přesný odhad.

Když se však podíváte blíže, odhalíte nejrůznější složitosti:

• Defekty v mřížce lokálně indukují magnetismus
• Některé orientace vrstev se magneticky spojují
• Příměsi propůjčují feromagnetismus prostřednictvím dodatečných elektronů
• Geometrie alotropů způsobuje neočekávané účinky
• Vnější faktory, jako je teplo a magnety, mají další vliv

A navzdory bolestem hlavy, které tento složitý systém přináší, vědci jsou hledání způsobů, jak přitáhnout grafit k magnetům... alespoň v laboratoři.

Ačkoli tedy každodenní grafit není příliš magnetický, skutečný příběh má mnoho nuancí. Vztah grafitu k magnetismu je ve skutečnosti bohatý a fascinujícím způsobem složitý!