¿Es magnético el grafito? Descubra la verdad

He observado que existe cierto debate sobre si el grafito es magnético o no. Como profesional proveedor de imanes de neodimioDecidí indagar en los detalles y llegar al fondo de este enigma del carbono.

Permítanme explicarles lo que he descubierto en mi investigación sobre el magnetismo del grafito.

¿Es magnético el grafito?

La respuesta corta es que el grafito se considera generalmente no magnético o diamagnético. Esto significa que el grafito puro no actúa como un imán y, de hecho, puede repeler ligeramente los campos magnéticos debido a la disposición de sus átomos de carbono.

Sin embargo, existen algunas complejidades y excepciones a esta regla:

• El grafito puede mostrar un débil diamagnetismo debido a sus electrones apareados y a su estructura.
• En determinadas condiciones, como defectos de red o irradiación de protones, el grafito puede presentar ferromagnetismo.
• Factores como las impurezas y la estructura alotrópica pueden influir en las propiedades magnéticas del grafito.
• El grafeno monocapa muestra comportamientos excepcionales, al igual que el grafeno en algunos campos externos.
• Recientes avances han mostrado formas de alterar el grafito para hacerlo magnético.

Así, aunque el grafito natural tiende a ser no magnético, sus propiedades son complejas. En determinadas circunstancias, los cambios inducidos pueden dar lugar a comportamientos magnéticos.

Desgranemos los detalles...

Diamagnetismo: El estado por defecto del grafito

La clave para entender el magnetismo del grafito reside en su estructura de átomos de carbono.

El grafito tiene un diseño en capas, con cada átomo enlazado a tres vecinos en una red que parece un panal. El electrón sobrante forma un "enlace pi" con las capas superior e inferior.

Este enlace pi deslocaliza el electrón, permitiéndole vagar libremente. Y por eso el grafito conduce la electricidad a pesar de ser considerado un semimetal.

Pero, ¿qué significa esto para el magnetismo?

Bueno, con todos sus electrones emparejados, cada átomo de carbono tiene sin momento magnético neto. Así, las capas de átomos tienden a anularse entre sí en lugar de alinearse magnéticamente.

Por eso, el grafito es diamagnético, es decir, repele débilmente los campos magnéticos externos en lugar de ser atraído como el hierro.

Para visualizarlo, se puede pensar en los materiales diamagnéticos como ligeros espejos magnéticos. Reflejan el campo que incide sobre ellos porque sus electrones apareados resisten la reorientación.

Por eso el grafito puro suele mostrar poco magnetismo: cada átomo contrarresta el minúsculo campo de su vecino.

Por suerte, el grafito tiene peculiaridades adicionales que introducen cierta personalidad magnética...

Cuando el grafito se vuelve ferromagnético

Contrariamente a la creencia popular, el grafito prístino puede demuestran ferromagnetismo, incluso a temperatura ambiente.

El secreto está en esas capas de electrones unidos por enlaces pi. Resulta que pueden interactuar magnéticamente dependiendo de cómo se apilen las láminas.

Los investigadores descubrieron que cuando dos capas de grafeno tienen orientaciones diamagnéticas opuestas, sus momentos magnéticos se anulan (apilamiento antiferromagnético). Con otras orientaciones, pueden generar pequeños campos magnéticos (ferromagnetismo).

Pero la orientación de las capas no es la única responsable del magnetismo oculto del grafeno. Los defectos estructurales también desempeñan un papel crucial.

Ningún material es perfecto. Cuando se forma el grafito, las capas dejan atrás defectos topológicos: átomos que faltan, anillos de carbono de 8 miembros en lugar de hexagonales, ese tipo de cosas.

Estos defectos actúan como la personalidad magnética que le falta al grafito. Introducen electrones libres igual que lo haría el dopaje del grafito con otros elementos. Pero en este caso, ¡el magnetismo procede únicamente del carbono!

Defectos reticulares crean redes magnéticas 2D

Para estudiar el magnetismo por defectos, los científicos utilizan técnicas como la microscopía de efecto túnel. Esto les permite sondear la estructura del grafito capa por capa.

Gracias a los avances en microscopía, investigadores de los Países Bajos descubrieron algo increíble en 2008.

Resulta que muchas zonas defectuosas se acoplan magnéticamente con sus vecinas. Esto forma una red 2D de magnetismo en cada hoja de grafeno.

Red de defectos acoplados magnéticamente (doi.org/10.1038/nphys1399)

El equipo holandés demostró que estas bandas 2D también se conectan entre láminas. En realidad, se trata de una red tridimensional de irregularidades magnéticamente activas en grafito diamagnético.

No es de extrañar que el grafeno tenga unas propiedades magnéticas tan complejas 🙂 .

Impurezas y alótropos confunden el magnetismo

Aparte de los defectos incorporados, los elementos extraños también pueden introducir magnetismo. Por ejemplo, la adición de boro o nitrógeno deja electrones libres que permiten el ferromagnetismo.

Este efecto de dopaje es importante porque el grafito en bruto contiene muchas impurezas. Polvo, arcilla, pequeñas partículas metálicas... todas ellas influyen en la respuesta magnética.

Por eso las distintas fuentes de grafito resultan más o menos magnéticas. Los niveles de impurezas varían de forma impredecible, por lo que el magnetismo depende en gran medida de la muestra concreta.

Para complicar aún más las cosas, el grafito tiene variedades estructurales llamadas alótropos. El grafeno (capas individuales), los nanotubos, las buckyballs, el carbón, el diamante... todos comparten propiedades como la conductividad a pesar de sus estructuras únicas.

Y como la geometría dicta la configuración electrónica de un material, cada alótropo del carbono interactúa con el magnetismo de forma diferente:

• Diamante - no magnético
• Grafeno: magnetismo cuántico intrínseco
• Nanotubos: magnetismo variable por defectos
• Buckyballs - diamagnéticas
• Carbono amorfo: magnetismo complejo por impurezas

Así que "¿Es magnético el grafito?" no es realmente la mejor pregunta. La respuesta depende de que ¡grafito querrás decir!

No me extraña que sea un tema tan confuso 🙂 .

Factores externos alteran el magnetismo del grafito

Aparte de las características intrínsecas, como los defectos y la geometría, las influencias externas también modifican el magnetismo del grafito.

Por un lado, los científicos han descubierto que pueden inducir el ferromagnetismo irradiando grafito con protones. La radiación desplaza los átomos de carbono, dejando defectos que se acoplan magnéticamente. Una locura.

La temperatura también altera el diamagnetismo del grafito, aunque no mucho. Resulta que la energía térmica supera fácilmente el débil acoplamiento magnético entre capas.

Dicho esto, las temperaturas extremadamente altas (como las de un horno de arco) afectan a la configuración electrónica del grafito. Así, mientras que las temperaturas cotidianas no suponen un cambio significativo, el calor extremo modifica un poco la respuesta magnética.

El último modificador del magnetismo externo consiste simplemente en aplicar un campo magnético externo. Incluso un imán de nevera puede inducir un ligero campo opuesto en el grafito gracias al diamagnetismo.

Los campos intensos de laboratorio amplifican este efecto. Pero el campo inducido es relativamente pequeño y temporal: el grafito no se vuelve permanentemente magnético como el hierro.

Los avances permiten el grafeno magnético

La buena noticia es que los científicos están encontrando formas de evitar el voluble magnetismo del grafito. La modificación química inteligente es una vía...

Por ejemplo, investigadores de la Universidad Rice convirtieron el grafito en magnético añadiéndole grupos hidroxilo. Su compuesto (fluorografeno) mantuvo el magnetismo incluso a temperaturas abrasadoras: ¡definitivamente, no es el comportamiento típico del grafito!

Entramado de fluorografeno - Crédito A.G. Rajan et. al (10.1021/jacs.6b12239)

Mientras tanto, otros descubrieron que irradiar grafeno también lo hace magnético.

Es improbable que enfoques como el grafeno de salto protónico funcionen a escala. Pero a nivel de investigación, demuestran que el grafeno puede forzarse a ser magnético con suficiente creatividad.

Conclusión: Es... ¡complicado!

En resumen... es ¿grafito magnético?

El recorrido del níquel nos dice que es diamagnético y, en general, no magnético. Y basándose en la estructura de los cristales ordenados de grafito, es una apreciación acertada.

Pero si se mira más de cerca, se descubren todo tipo de complejidades:

• Los defectos en la red inducen magnetismo localmente
• Algunas orientaciones de las capas se acoplan magnéticamente
• Las impurezas aportan ferromagnetismo mediante electrones adicionales
• La geometría del alótropo provoca efectos inesperados
• Factores externos como el calor y los imanes influyen

Y a pesar de los quebraderos de cabeza que conlleva este complejo sistema, los científicos son encontrar formas de hacer que el grafito se sienta atraído por los imanes... al menos en el laboratorio.

Así que, aunque el grafito cotidiano no es tremendamente magnético, la historia real tiene muchos matices. La relación del grafito con el magnetismo es realmente rica y fascinantemente compleja.