Er grafit magnetisk? Find ud af sandheden

Jeg har bemærket, at der er en del debat om, hvorvidt grafit er magnetisk eller ej. Som professionel leverandør af neodymmagneterbesluttede jeg mig for at grave ned i detaljerne og komme til bunds i denne kulstofgåde.

Lad mig gennemgå, hvad jeg fandt ud af i min forskning i grafitmagnetisme.

Er grafit magnetisk?

Det korte svar er, at Grafit betragtes generelt som ikke-magnetisk eller diamagnetisk.. Det betyder, at ren grafit ikke opfører sig som en magnet, og faktisk kan den frastøde magnetiske felter en smule på grund af kulstofatomernes placering.

Der er dog nogle kompleksiteter og undtagelser fra denne regel:

• Grafit kan udvise svag diamagnetisme på grund af sine parrede elektroner og sin struktur.
• Under visse forhold som gitterdefekter eller protonbestråling kan grafit udvise ferromagnetisme.
• Faktorer som urenheder og allotrope strukturer kan påvirke grafits magnetiske egenskaber.
• Enkeltlagsgrafen udviser en usædvanlig adfærd, og det samme gør grafit i nogle eksterne felter.
• De seneste fremskridt har vist, hvordan man kan ændre grafit, så det bliver magnetisk.

Så selvom naturlig grafit har en tendens til at være ikke-magnetisk, er dens egenskaber komplekse. Under særlige omstændigheder kan inducerede ændringer føre til magnetisk adfærd.

Lad os se nærmere på detaljerne...

Diamagnetisme: Grafittens standardtilstand

Nøglen til at forstå grafittens magnetisme ligger i dens kulstofatomstruktur.

Grafit har et lagdelt design, hvor hvert atom er bundet til tre naboer i et gitter, der ligner en bikage. Den ekstra elektron danner en "pi-binding" med lagene over og under.

Denne pi-binding delokaliserer elektronen, så den kan bevæge sig frit omkring. Og det er derfor, grafit leder elektricitet på trods af, at det betragtes som en halvmetal.

Men hvad betyder det for magnetismen?

Med alle deres elektroner parret, har hvert kulstofatom intet magnetisk nettomoment. Så lagene af atomer har en tendens til at ophæve hinanden i stedet for at tilpasse sig magnetisk.

Det er derfor, grafit som standard er diamagnetisk - en egenskab, hvor den svagt frastøder eksterne magnetfelter i stedet for at blive tiltrukket som jern.

For at visualisere det kan du tænke på diamagnetiske materialer som små magnetiske spejle. De reflekterer det felt, der rammer dem, fordi deres parrede elektroner modstår reorientering.

Så det er derfor, ren grafit generelt viser lidt magnetisme - hvert atom modvirker det lille felt fra sin nabo.

Heldigvis har grafit flere særheder, som giver den lidt magnetisk personlighed...

Når grafit bliver ferromagnetisk

I modsætning til hvad mange tror, er uberørt grafit kan viser ferromagnetisme, selv ved stuetemperatur.

Hemmeligheden ligger i de pi-bundne elektronlag. Det viser sig, at de kan interagere magnetisk afhængigt af, hvordan lagene stables sammen.

Forskerne fandt ud af, at når to grafenlag har modsatrettede diamagnetiske retninger, ophæves deres magnetiske momenter (antiferromagnetisk stabling). Med andre orienteringer kan de generere små magnetfelter (ferromagnetisme).

Men lagorienteringen alene er ikke ansvarlig for grafittens skjulte magnetisme. Strukturelle defekter spiller også en afgørende rolle.

Ser du, intet materiale er perfekt. Når grafit dannes, efterlader lagene topologiske defekter: manglende atomer, 8-ledede kulstofringe i stedet for sekskantede og den slags.

Disse defekter fungerer som den magnetiske personlighed, grafit mangler. De tilfører frie elektroner, ligesom man ville gøre, hvis man dopede grafit med andre grundstoffer. Bortset fra at her stammer magnetismen fra kulstof alene!

Gitterdefekter skaber 2D-magnetiske netværk

For at studere defektmagnetisme bruger forskere teknikker som scanning tunnelmikroskopi. Det giver dem mulighed for at undersøge grafitstrukturen et lag ad gangen.

Takket være fremskridt inden for mikroskopi fandt forskere fra Holland noget utroligt i 2008.

Det viser sig, at mange defekte steder kobler sig magnetisk sammen med deres naboer. Dette danner et 2D-netværk af magnetisme inden for hvert grafenark!

Netværk af magnetisk koblede defekter (doi.org/10.1038/nphys1399)

Det hollandske hold viste, at disse 2D-bånd også forbindes på tværs af pladerne. Så i virkeligheden er der tale om et 3D-gitter af magnetisk aktive uregelmæssigheder i ellers diamagnetisk grafit!

Ikke underligt, at grafit har så komplekse magnetiske egenskaber 🙂 .

Urenheder og allotroper forvirrer magnetismen

Bortset fra indbyggede defekter kan fremmede elementer også introducere magnetisme. Hvis man f.eks. tilføjer bor eller kvælstof, bliver der ekstra elektroner tilbage, som muliggør ferromagnetisme.

Denne dopingeffekt er vigtig, fordi rå grafit indeholder masser af urenheder. Støv, ler, små metalpartikler - de påvirker alle den magnetiske respons.

Det er derfor, at forskellige grafitkilder føles mere eller mindre magnetiske. Niveauet af urenheder varierer uforudsigeligt, så magnetismen afhænger i høj grad af den specifikke prøve.

Det komplicerer sagen yderligere, at grafit har strukturelle varianter kaldet allotroper. Grafen (enkeltlag), nanorør, buckyballs, trækul, diamant ... alle deler egenskaber som ledningsevne på trods af deres unikke strukturer.

Og fordi geometrien dikterer et materiales elektroniske konfiguration, interagerer hver kulstofallotrope forskelligt med magnetisme:

• Diamant - ikke-magnetisk
• Grafen - iboende kvantemagnetisme
• Nanorør - variabel magnetisme fra defekter
• Buckyballs - diamagnetisk
• Amorft kulstof - kompleks magnetisme fra urenheder

Så "Er grafit magnetisk?" er egentlig ikke det bedste spørgsmål. Svaret afhænger af som Grafit mener du!

Ikke underligt, at det er sådan et forvirrende emne 🙂 .

Eksterne faktorer bøjer grafits magnetisme

Bortset fra indbyggede egenskaber som defekter og geometri ændrer ydre påvirkninger også grafittens magnetisme.

For det første fandt forskerne ud af, at de kan fremkalde ferromagnetisme ved at bestråle grafit med protoner. Strålingen fortrænger kulstofatomer og efterlader defekter, der kobler sig magnetisk. Det er ret vildt!

Temperaturen ændrer også grafittens diamagnetisme, men ikke ret meget. Det viser sig, at termisk energi let overvinder den svage magnetiske kobling mellem lagene.

Når det er sagt, påvirker ekstremt høje temperaturer (tænk på lysbueovne) grafittens elektronkonfiguration. Så mens hverdagstemperaturer medfører ubetydelige ændringer, ændrer ekstrem varme den magnetiske respons en smule.

Den sidste eksterne magnetisme-modifikator er simpelthen at anvende et eksternt magnetfelt. Selv en køleskabsmagnet kan fremkalde et lille modsatrettet felt i grafit takket være diamagnetisme.

Stærke laboratoriefelter forstærker denne effekt. Men det inducerede felt forbliver forholdsvis lille og midlertidigt - grafit bliver ikke permanent magnetisk som jern.

Fremskridt muliggør magnetisk grafit

Den gode nyhed er, at forskerne er ved at finde måder at omgå grafittens ustabile magnetisme på. Smart kemisk modifikation er en af vejene...

Forskere på Rice University gjorde f.eks. grafit magnetisk ved at tilføje hydroxylgrupper. Deres forbindelse (fluorographene) bevarede magnetismen selv ved brændende temperaturer - bestemt ikke typisk grafitadfærd!

Fluorographene gitter - kredit A.G. Rajan et. al (10.1021/jacs.6b12239)

I mellemtiden har andre fundet ud af, at bestråling af grafen også gør det magnetisk.

Det er usandsynligt, at fremgangsmåder som proton-zapping-grafen vil fungere i stor skala. Men på forskningsniveau viser de, at grafit kan tvinges til at være magnetisk med tilstrækkelig kreativitet.

Konklusion: Det er ... kompliceret!

Så for at opsummere - er Grafit magnetisk?

Nikkelturen fortæller os, at det er diamagnetisk og generelt ikke-magnetisk. Og baseret på strukturen i velordnede grafitkrystaller er det en nøjagtig vurdering.

Men kigger man nærmere efter, opdager man alle mulige former for kompleksitet:

• Defekter i gitteret fremkalder magnetisme lokalt
• Nogle lagorienteringer kobler sig magnetisk
• Urenheder giver ferromagnetisme gennem ekstra elektroner
• Allotrope geometri giver uventede effekter
• Eksterne faktorer som varme og magneter øger indflydelsen

Og på trods af den hovedpine, som det komplekse system medfører, har forskere er at finde måder at få grafit til at tiltrække magneter ... i hvert fald i laboratoriet.

Så selv om almindelig grafit ikke er voldsomt magnetisk, er den sande historie meget mere nuanceret. Grafittens forhold til magnetisme er faktisk rigt og fascinerende komplekst!