Ist Graphit magnetisch? Finden Sie die Wahrheit heraus

Ich habe festgestellt, dass es eine Debatte darüber gibt, ob Graphit magnetisch ist oder nicht. Als Profi Neodym-Magnete LieferantIch beschloss, den Details auf den Grund zu gehen und diesem Kohlenstoff-Rätsel auf den Grund zu gehen.

Ich möchte Ihnen erläutern, was ich bei meinen Nachforschungen über den Graphitmagnetismus herausgefunden habe.

Ist Graphit magnetisch?

Die kurze Antwort lautet, dass Graphit gilt im Allgemeinen als nichtmagnetisch oder diamagnetisch. Das bedeutet, dass sich reiner Graphit nicht wie ein Magnet verhält, sondern aufgrund der Anordnung seiner Kohlenstoffatome Magnetfelder sogar leicht abstoßen kann.

Allerdings gibt es einige Komplexitäten und Ausnahmen von dieser Regel:

• Graphit kann aufgrund seiner gepaarten Elektronen und seiner Struktur einen schwachen Diamagnetismus aufweisen.
• Unter bestimmten Bedingungen wie Gitterdefekten oder Protonenbestrahlung kann Graphit Ferromagnetismus aufweisen.
• Faktoren wie Verunreinigungen und Allotropstruktur können die magnetischen Eigenschaften von Graphit beeinflussen.
• Einlagiges Graphen zeigt ein außergewöhnliches Verhalten, ebenso wie Graphit in einigen externen Feldern.
• Jüngste Fortschritte haben Möglichkeiten aufgezeigt, Graphit so zu verändern, dass es magnetisch wird.

Obwohl natürlicher Graphit in der Regel nicht magnetisch ist, sind seine Eigenschaften komplex. Unter bestimmten Umständen können induzierte Veränderungen zu magnetischem Verhalten führen.

Lassen Sie uns die Details auspacken...

Diamagnetismus: Der Standardzustand von Graphit

Der Schlüssel zum Verständnis des Magnetismus von Graphit liegt in seiner Kohlenstoffatomstruktur.

Graphit ist schichtweise aufgebaut, wobei jedes Atom mit drei Nachbaratomen in einem Gitter verbunden ist, das wie eine Bienenwabe aussieht. Das freie Elektron bildet eine "pi-Bindung" mit den darüber und darunter liegenden Schichten.

Durch diese pi-Bindung wird das Elektron delokalisiert, so dass es sich frei bewegen kann. Deshalb leitet Graphit Strom, obwohl es als Halbmetall gilt.

Aber was bedeutet das für den Magnetismus?

Nun, da alle Elektronen gepaart sind, hat jedes Kohlenstoffatom kein magnetisches Nettomoment. Die Atomschichten heben sich also eher gegenseitig auf, als dass sie sich magnetisch ausrichten.

Deshalb neigt Graphit zum Diamagnetismus - eine Eigenschaft, bei der es äußere Magnetfelder schwach abstößt, anstatt wie Eisen angezogen zu werden.

Zur Veranschaulichung können Sie sich diamagnetische Materialien als leichte magnetische Spiegel vorstellen. Sie reflektieren das auf sie treffende Feld zurück, weil ihre gepaarten Elektronen sich nicht umorientieren.

Aus diesem Grund zeigt reiner Graphit im Allgemeinen wenig Magnetismus - jedes Atom wirkt dem winzigen Feld seines Nachbarn entgegen.

Glücklicherweise hat Graphit noch weitere Macken, die ihm eine gewisse magnetische Persönlichkeit verleihen...

Wenn Graphit ferromagnetisch wird

Entgegen der landläufigen Meinung ist unbehandelter Graphit kann zeigen Ferromagnetismus, sogar bei Raumtemperatur.

Das Geheimnis liegt in diesen pi-gebundenen Elektronenschichten. Es hat sich herausgestellt, dass sie magnetisch interagieren können, je nachdem, wie die Schichten aufeinander gestapelt sind.

Die Forscher fanden heraus, dass sich die magnetischen Momente von zwei Graphenschichten mit entgegengesetzter diamagnetischer Ausrichtung aufheben (antiferromagnetische Stapelung). Bei anderen Ausrichtungen können sie kleine Magnetfelder erzeugen (Ferromagnetismus).

Doch die Ausrichtung der Schichten allein ist nicht für den verborgenen Magnetismus von Graphit verantwortlich. Auch strukturelle Defekte spielen eine entscheidende Rolle.

Sehen Sie, kein Material ist perfekt. Wenn sich Graphit bildet, hinterlassen die Schichten topologische Defekte: fehlende Atome, 8-gliedrige Kohlenstoffringe anstelle von hexagonalen, und so weiter.

Diese Defekte wirken wie die magnetische Persönlichkeit, die Graphit fehlt. Sie führen freie Elektronen ein, genau wie es bei der Dotierung von Graphit mit anderen Elementen der Fall wäre. Nur dass hier der Magnetismus allein vom Kohlenstoff herrührt!

Gitterdefekte schaffen magnetische 2D-Netzwerke

Um den Defektmagnetismus zu untersuchen, nutzen Wissenschaftler Techniken wie die Rastertunnelmikroskopie. Damit können sie die Struktur von Graphit Schicht für Schicht untersuchen.

Dank der Fortschritte in der Mikroskopie haben Forscher aus den Niederlanden 2008 etwas Unglaubliches entdeckt.

Es stellte sich heraus, dass viele Defektstellen magnetisch mit ihren Nachbarn koppeln. Dies bildet ein 2D-Netzwerk des Magnetismus innerhalb jedes Graphenblatt!

Netzwerk von magnetisch gekoppelten Defekten (doi.org/10.1038/nphys1399)

Das niederländische Team zeigte, dass diese 2D-Bänder auch über die Schichten hinweg miteinander verbunden sind. Es handelt sich also tatsächlich um ein 3D-Gitter aus magnetisch aktiven Unregelmäßigkeiten in ansonsten diamagnetischem Graphit!

Kein Wunder, dass Graphit so komplexe magnetische Eigenschaften hat. 🙂

Verunreinigungen und Allotrope verwirren den Magnetismus

Abgesehen von eingebauten Defekten können auch Fremdelemente Magnetismus erzeugen. Wenn beispielsweise Bor oder Stickstoff hinzugefügt werden, bleiben Elektronen übrig, die Ferromagnetismus ermöglichen.

Dieser Dotierungseffekt ist wichtig, weil Rohgraphit viele Verunreinigungen enthält. Staub, Ton, winzige Metallpartikel - sie alle beeinflussen die magnetische Reaktion.

Aus diesem Grund fühlen sich verschiedene Graphitquellen mehr oder weniger magnetisch an. Der Gehalt an Verunreinigungen variiert in unvorhersehbarer Weise, so dass der Magnetismus weitgehend von der jeweiligen Probe abhängt.

Erschwerend kommt hinzu, dass Graphit strukturelle Varianten hat, die Allotrope genannt werden. Graphen (einzelne Schichten), Nanoröhren, Buckyballs, Holzkohle, Diamant... alle haben trotz ihrer einzigartigen Strukturen Eigenschaften wie Leitfähigkeit gemeinsam.

Und da die Geometrie die elektronische Konfiguration eines Materials vorgibt, reagiert jedes Kohlenstoff-Allotrop anders auf Magnetismus:

• Diamant - nichtmagnetisch
• Graphen - intrinsischer Quantenmagnetismus
• Nanoröhren - variabler Magnetismus durch Defekte
• Buckyballs - diamagnetisch
• Amorpher Kohlenstoff - komplexer Magnetismus durch Verunreinigungen

Die Frage "Ist Graphit magnetisch?" ist also nicht wirklich die beste Frage. Die Antwort hängt ab von die Graphit meinen Sie!

Kein Wunder, dass es ein so verwirrendes Thema ist 🙂 .

Externe Faktoren beeinflussen den Magnetismus von Graphit

Neben den eingebauten Merkmalen wie Defekten und Geometrie verändern auch äußere Einflüsse den Magnetismus von Graphit.

Zum einen fanden die Wissenschaftler heraus, dass sie Ferromagnetismus erzeugen können, indem sie Graphit mit Protonen bestrahlen. Die Strahlung verdrängt Kohlenstoffatome und hinterlässt Defekte, die magnetisch koppeln. Ziemlich abgefahren!

Die Temperatur verändert auch den Diamagnetismus von Graphit, wenn auch nicht sehr stark. Es stellt sich heraus, dass die Wärmeenergie die schwache magnetische Kopplung zwischen den Schichten leicht überwindet.

Allerdings wirken sich extrem hohe Temperaturen (z. B. in Lichtbogenöfen) auf die Elektronenkonfiguration von Graphit aus. Während also alltägliche Temperaturen zu vernachlässigbaren Veränderungen führen, wird die magnetische Reaktion durch extreme Hitze etwas beeinflusst.

Der letzte externe Magnetismus-Modifikator ist einfach das Anlegen eines externen Magnetfeldes. Selbst ein Kühlschrankmagnet kann dank des Diamagnetismus ein leichtes Gegenfeld in Graphit induzieren.

Starke Laborfelder verstärken diesen Effekt. Aber das induzierte Feld bleibt vergleichsweise winzig und vorübergehend - Graphit wird nicht dauerhaft magnetisch wie Eisen.

Fortschritte ermöglichen magnetischen Graphit

Die gute Nachricht ist, dass Wissenschaftler Wege gefunden haben, den unbeständigen Magnetismus von Graphit zu umgehen. Eine clevere chemische Modifikation ist ein Weg...

So haben Forscher der Rice University Graphit durch das Anbringen von Hydroxylgruppen magnetisch gemacht. Ihre Verbindung (Fluorographen) behielt den Magnetismus sogar bei sengenden Temperaturen bei - definitiv kein typisches Graphitverhalten!

Fluorographen-Gitter - Credit A.G. Rajan et. al (10.1021/jacs.6b12239)

In der Zwischenzeit fanden andere heraus, dass die Bestrahlung von Graphen dieses ebenfalls magnetisch macht.

Es ist unwahrscheinlich, dass Ansätze wie protonenzerfetzendes Graphen in großem Maßstab funktionieren. Aber auf der Forschungsebene zeigen sie, dass Graphit mit genügend Kreativität magnetisch gemacht werden kann.

Schlussfolgerung: Es ist ... kompliziert!

Zusammengefasst. ist Graphit magnetisch?

Die Nickeltour sagt uns, dass es diamagnetisch und im Allgemeinen nicht magnetisch ist. Und basierend auf der Struktur von geordneten Graphitkristallen ist das eine genaue Einschätzung.

Doch bei näherem Hinsehen entdeckt man eine ganze Reihe von komplexen Zusammenhängen:

• Defekte im Gitter induzieren lokal Magnetismus
• Einige Schichtausrichtungen koppeln magnetisch
• Verunreinigungen verleihen Ferromagnetismus durch zusätzliche Elektronen
• Die Allotrop-Geometrie verursacht unerwartete Effekte
• Äußere Faktoren wie Wärme und Magnete haben zusätzlichen Einfluss

Und trotz der Kopfschmerzen, die dieses komplexe System mit sich bringt, haben Wissenschaftler sind Wege zu finden, wie Graphit von Magneten angezogen werden kann... zumindest im Labor.

Während alltäglicher Graphit also nicht besonders magnetisch ist, hat die wahre Geschichte viele Nuancen. Die Beziehung von Graphit zum Magnetismus ist in der Tat reichhaltig und faszinierend komplex!