Kas grafiit on magnetiline? Uuri välja tõde

Ma olen märganud, et on mõningaid arutelusid selle üle, kas grafiit on magnetiline või mitte. Nagu professionaalne neodüüm magnetid tarnija, otsustasin ma kaevata üksikasjadesse ja jõuda selle süsiniku mõistatuse põhjani.

Las ma tutvustan teile, mida ma avastasin oma uurimistöö käigus grafiitmagnetismi kohta.

Kas grafiit on magnetiline?

Lühike vastus on, et grafiiti peetakse üldiselt mittemagnetiliseks või diamagnetiliseks.. See tähendab, et puhas grafiit ei toimi nagu magnet ja tegelikult võib ta oma süsinikuaatomite paigutuse tõttu magnetvälju veidi tõrjuda.

Siiski on sellest reeglist mõned keerulised asjaolud ja erandid:

• Grafiit võib oma paaritud elektronide ja struktuuri tõttu ilmutada nõrka diamagnetismi.
• Teatud tingimustel, näiteks võredefektide või prootonikiirguse korral, võib grafiidil ilmneda ferromagnetism.
• Sellised tegurid nagu lisandid ja allotroopide struktuur võivad mõjutada grafiidi magnetilisi omadusi.
• Ühe kihi grafeen näitab erakordset käitumist, nagu ka grafiit mõnes välisväljas.
• Hiljutised edusammud on näidanud, kuidas muuta grafiiti magnetiliseks.

Kuigi looduslik grafiit on tavaliselt mittemagnetiline, on selle omadused keerulised. Teatud tingimustel võivad indutseeritud muutused viia magnetilise käitumiseni.

Võtame üksikasjad lahti...

Diamagnetism: Grafiidi vaikimisi olek

Grafiidi magnetismi mõistmise võti peitub selle süsiniku aatomi struktuuris.

Grafiit on kihiline, iga aatom on seotud kolme naabri aatomiga võrega, mis näeb välja nagu meekärg. Vaba elektron moodustab "pi-sideme" üleval ja all asuvate kihtidega.

See pi-side delokaliseerib elektroni, võimaldades tal vabalt liikuda. Seepärast juhib grafiit elektrit, kuigi teda peetakse poolmetalliks.

Kuid mida see tähendab magnetismi jaoks?

Noh, kuna nende elektronid on kõik paaris, on igal süsiniku aatomil puudub magnetiline netomoment. Nii et aatomikihtidel on kalduvus üksteist neutraliseerida, selle asemel, et magnetiliselt joonduda.

Seetõttu on grafiit vaikimisi diamagnetism - omadus, mille puhul ta tõrjub nõrga magnetvälja, mitte ei tõmba end ligi nagu raud.

Selle visualiseerimiseks võite mõelda diamagnetilistest materjalidest kui kergetest magnetilistest peeglitest. Nad peegeldavad tagasi neid tabanud välja, sest nende paarilised elektronid seisavad vastu ümberorienteerumisele.

Seepärast ongi puhtal grafiidil üldiselt vähe magnetismi - iga aatom vastandab oma naabri pisikese välja.

Õnneks on grafiidil täiendavaid veidrusi, mis toovad sisse mõningase magnetilise isiksuse...

Kui grafiit muutub ferromagnetiliseks

Vastupidiselt levinud arvamusele on põlised grafiitide saab demonstreerivad ferromagnetismi isegi toatemperatuuril.

Saladus peitub neis pi-sidemetega elektronkihtides. Tuleb välja, et need võivad magnetiliselt suhelda sõltuvalt sellest, kuidas lehed üksteise peale ladestuvad.

Teadlased leidsid, et kui kahe grafeenkihi diamagnetiline orientatsioon on vastandlik, siis nende magnetilised momendid tühistuvad (antiferromagnetiline virnastamine). Muude orientatsioonide korral võivad nad tekitada väikeseid magnetvälju (ferromagnetism).

Kuid ainult kihtide orientatsioon ei ole vastutav grafiidi varjatud magnetismi eest. Olulist rolli mängivad ka struktuurivead.

Näete, ükski materjal ei ole täiuslik. Kui grafiit moodustub, jätavad kihid topoloogilised defektid: puuduvad aatomid, 8-liikmelised süsinikurõngad heksagonaalsete asemel ja muud sellised asjad.

Need defektid toimivad magnetilise isiksusena, mis grafiidil puudub. Nad toovad sisse vabu elektrone, nagu seda teeks grafiidi doping teiste elementidega. Ainult et siinkohal tuleneb magnetism ainult süsinikust!

Ruudustiku defektid loovad 2D magnetilisi võrke

Defektide magnetismi uurimiseks kasutavad teadlased selliseid meetodeid nagu skaneeriv tunnelmikroskoopia. See võimaldab neil uurida grafiidi struktuuri üks kiht korraga.

Tänu mikroskoopia edusammudele leidsid Madalmaade teadlased 2008. aastal midagi uskumatut.

Selgub, et paljud defektikohad haakuvad magnetiliselt oma naabritega. See moodustab magnetismi 2D-võrgustiku aadressil iga grafeenileht!

Magnetiliselt ühendatud defektide võrgustik (doi.org/10.1038/nphys1399)

Hollandi meeskond näitas, et need 2D ribad on ühendatud ka üle lehtede. Nii et tegelikult on tegemist magnetiliselt aktiivsete ebakorrapärasuste 3D-võrgustikuga muidu diamagnetilises grafiidis!

Pole ime, et grafiidil on nii keerulised magnetilised omadused 🙂 .

Lisandid ja allotroopid segavad magnetismi

Lisaks sisseehitatud defektidele võivad magnetismi tuua ka võõrkehad. Näiteks boori või lämmastiku lisamine jätab vabu elektrone, mis võimaldavad ferromagnetismi.

See dopinguefekt on oluline, sest toorgrafiit sisaldab palju lisandeid. Tolm, savi, pisikesed metalliosakesed - need kõik mõjutavad magnetilist reaktsiooni.

Seepärast on erinevad grafiidiallikad rohkem või vähem magnetilised. Lisandi sisaldus varieerub ettearvamatult, seega sõltub magnetism suuresti konkreetsest proovist.

Asja muudab veelgi keerulisemaks asjaolu, et grafiidil on struktuurilisi variante, mida nimetatakse allotroopideks. Grafeen (üksikud kihid), nanotorud, tüvepallid, süsi, teemant... kõigil neil on ühised omadused, nagu näiteks elektrijuhtivus, hoolimata nende ainulaadsest struktuurist.

Ja kuna geomeetria dikteerib materjali elektroonilise konfiguratsiooni, suhtleb iga süsiniku allotroop erinevalt magnetismiga:

• Teemant - mittemagnetiline
• Grafeen - sisemine kvantmagnetism
• Nanotorud - defektidest tulenev muutuv magnetism
• Mälupallid - diamagnetilised
• Amorfne süsinik - lisanditest tulenev kompleksne magnetism

Nii et "Kas grafiit on magnetiline?" ei ole tegelikult parim küsimus. Vastus sõltub mis grafiit mõtled sa!

Pole ime, et see on nii segane teema 🙂 .

Välised tegurid painutavad grafiidi magnetismi

Lisaks sisseehitatud omadustele, nagu defektid ja geomeetria, muudavad grafiidi magnetismi ka välised mõjud.

Esiteks leidsid teadlased, et nad saavad grafiiti prootonitega kiiritades esile kutsuda ferromagnetismi. Kiirgus nihutab süsiniku aatomeid, jättes maha defektid, mis haakuvad magnetiliselt. Päris metsik!

Ka temperatuur muudab grafiidi diamagnetismi, kuigi mitte palju. Selgub, et soojusenergia ületab kergesti kihtide vahelise nõrga magnetilise sideme.

See tähendab, et väga kõrged temperatuurid (mõelge kaarahjule) mõjutavad grafiidi elektronide konfiguratsiooni. Nii et kui igapäevased temperatuurid toovad kaasa tühised muutused, siis äärmuslik kuumus muudab magnetilist reaktsiooni mõnevõrra.

Viimane väline magnetismimoodustaja on lihtsalt välise magnetvälja rakendamine. Isegi külmkapimagnet võib tänu diamagnetismile tekitada grafiidis kerge vastandvälja.

Tugevad laboriväljad võimendavad seda mõju. Kuid indutseeritud väli jääb suhteliselt väikeseks ja ajutiseks - grafiit ei muutu püsivalt magnetiliseks nagu raud.

Edusammud võimaldavad magnetilist grafiiti

Hea uudis on see, et teadlased leiavad viise, kuidas grafiidi muutlikku magnetismi vältida. Nutikas keemiline modifitseerimine on üks võimalus...

Näiteks muutsid Rice'i ülikooli teadlased grafiidi magnetiliseks, kinnitades sellele hüdroksüülrühmi. Nende ühend (fluorografeen) säilitas magnetismi isegi kõrvetavatel temperatuuridel - see ei ole kindlasti tüüpiline grafiidi käitumine!

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

Samal ajal leidsid teised, et grafeeni kiiritamine muudab selle ka magnetiliseks.

Sellised lähenemisviisid nagu prootonite lüüasaamine grafeeniga ei toimi tõenäoliselt mastaabis. Kuid teadusuuringute tasandil näitavad nad, et grafiiti saab piisava loovusega magnetiliseks muuta.

Kokkuvõte: See on... keeruline!

Seega kokkuvõttes - on grafiit magnetiline?

Niklituur ütleb meile, et see on diamagnetiline ja üldiselt mittemagnetiline. Ja võttes aluseks korrapärase grafiidikristallide struktuuri, on see täpne hinnang.

Kuid kui vaatate lähemalt ja avastate kõikvõimalikke keerukusi:

• Defektid võrega tekitavad magnetismi lokaalselt
• Mõned kihtide orientatsioonid on magnetiliselt seotud
• Lisandid annavad ferromagnetismi täiendavate elektronide kaudu
• Allotroopi geomeetria põhjustab ootamatuid mõjusid
• Välised tegurid nagu soojus ja magnetid lisavad mõju

Ja hoolimata peavalust, mida see keeruline süsteem kaasa toob, on teadlased on leida viise, kuidas grafiiti magnetite külge tõmmata... vähemalt laboris.

Nii et kuigi igapäevane grafiit ei ole tohutult magnetiline, on tõelises loos palju nüansse. Grafiidi suhe magnetismiga on tegelikult rikas ja põnevalt keeruline!