Onko grafiitti magneettinen? Selvitä totuus

Olen huomannut, että on käyty keskustelua siitä, onko grafiitti magneettinen vai ei. Ammattilaisena neodyymimagneettien toimittaja, päätin kaivaa yksityiskohdat esiin ja selvittää tämän hiiliongelman syyn.

Käyn läpi, mitä sain selville grafiittimagnetismia koskevassa tutkimuksessani.

Onko grafiitti magneettinen?

Lyhyt vastaus on, että grafiittia pidetään yleensä ei-magneettisena tai diamagneettisena.. Tämä tarkoittaa, että puhdas grafiitti ei toimi magneetin tavoin, vaan se voi itse asiassa hieman hylkiä magneettikenttiä, mikä johtuu sen hiiliatomien sijoittelusta.

Tähän sääntöön liittyy kuitenkin joitakin monimutkaisuuksia ja poikkeuksia:

• Grafiitilla voi olla heikko diamagnetismi, joka johtuu sen parittaisista elektroneista ja rakenteesta.
• Tietyissä olosuhteissa, kuten ristikkovirheissä tai protonisäteilytyksessä, grafiitilla voi olla ferromagnetismia.
• Epäpuhtauksien ja allotrooppirakenteen kaltaiset tekijät voivat vaikuttaa grafiitin magneettisiin ominaisuuksiin.
• Yksikerroksinen grafeeni käyttäytyy poikkeuksellisesti, samoin kuin grafiitti joissakin ulkoisissa kentissä.
• Viimeaikaiset edistysaskeleet ovat osoittaneet, miten grafiittia voidaan muuttaa magneettiseksi.

Vaikka luonnon grafiitti on yleensä ei-magneettista, sen ominaisuudet ovat monimutkaiset. Erityisolosuhteissa indusoidut muutokset voivat johtaa magneettiseen käyttäytymiseen.

Selvitetään yksityiskohdat...

Diamagnetismi: Grafiitin oletustila

Grafiitin magneettisuuden ymmärtämisen avain piilee sen hiiliatomirakenteessa.

Grafiitti on kerroksittain rakennettu, ja jokainen atomi on sitoutunut kolmeen naapuriinsa hunajakennoa muistuttavaan ristikkoon. Varaelektroni muodostaa "piisidoksen" ylä- ja alapuolella olevien kerrosten kanssa.

Tämä piisidos delokalisoi elektronin, jolloin se voi liikkua vapaasti. Siksi grafiitti johtaa sähköä, vaikka sitä pidetään puolimetallina.

Mutta mitä tämä tarkoittaa magnetismin kannalta?

Kun kaikki elektronit ovat pareittain, jokaisella hiiliatomilla on - ei magneettista nettomomenttia. Niinpä atomikerrokset pyrkivät kumoamaan toisensa sen sijaan, että ne suuntautuisivat magneettisesti.

Siksi grafiitti on oletusarvoisesti diamagnetismia - ominaisuus, jossa se hylkii heikosti ulkoisia magneettikenttiä sen sijaan, että se vetäisi niitä puoleensa kuten rauta.

Visualisoidaksesi asian voit ajatella, että diamagneettiset materiaalit ovat pieniä magneettisia peilejä. Ne heijastavat niihin osuvan kentän takaisin, koska niiden parittaiset elektronit vastustavat uudelleen suuntautumista.

Siksi puhtaassa grafiitissa on yleensä vain vähän magneettisuutta - jokainen atomi vastustaa naapurinsa pientä kenttää.

Onneksi grafiitilla on lisää omituisuuksia, jotka tuovat mukaan magneettista persoonallisuutta...

Kun grafiitti muuttuu ferromagneettiseksi

Vastoin yleistä uskomusta, koskematon grafiitti voi osoittavat ferromagnetismia jopa huoneenlämmössä.

Salaisuus piisidoksissa olevissa elektronikerroksissa. Kävi ilmi, että ne voivat olla vuorovaikutuksessa magneettisesti riippuen siitä, miten kerrokset pinoutuvat yhteen.

Tutkijat havaitsivat, että kun kahdella grafeenikerroksella on vastakkaiset diamagneettiset suunnat, niiden magneettiset momentit kumoavat toisensa (antiferromagneettinen pinoaminen). Muilla suuntauksilla ne voivat synnyttää pieniä magneettikenttiä (ferromagnetismi).

Pelkkä kerrosten suuntaus ei kuitenkaan ole yksin vastuussa grafiitin piilomagnetismista. Myös rakennevirheillä on ratkaiseva merkitys.

Mikään materiaali ei nimittäin ole täydellistä. Kun grafiitti muodostuu, kerrokset jättävät jälkeensä topologisia vikoja: puuttuvia atomeja, 8-jäsenisiä hiilirenkaita kuusikulmaisten sijasta ja muuta sellaista.

Nämä viat toimivat magneettisena persoonallisuutena, joka grafiitilta puuttuu. Ne tuovat ilmaisia elektroneja aivan kuten grafiitin seostaminen muilla alkuaineilla. Paitsi että tässä tapauksessa magneettisuus on peräisin pelkästään hiilestä!

Ristikkovirheet luovat 2D-magneettisia verkkoja

Tutkijat käyttävät vikamagnetismin tutkimiseen tekniikoita, kuten pyyhkäisytunnelointimikroskopiaa. Sen avulla he voivat tutkia grafiitin rakennetta kerros kerrallaan.

Mikroskooppitutkimuksen kehittymisen ansiosta alankomaalaiset tutkijat löysivät vuonna 2008 jotain uskomatonta.

On käynyt ilmi, että monet vikapaikat ovat magneettisesti yhteydessä naapureihinsa. Tämä muodostaa 2D-magnetismiverkon osoitteessa jokaista grafeenilevyä kohti!

magneettisesti kytkettyjen vikojen verkko (doi.org/10.1038/nphys1399)

Hollantilaisryhmä osoitti, että nämä 2D-nauhat liittyvät toisiinsa myös levyjen välillä. Kyseessä on siis magneettisesti aktiivisten epäsäännöllisyyksien 3D-ristikko muuten diamagneettisessa grafiitissa!

Ei ihme, että grafiitilla on niin monimutkaiset magneettiset ominaisuudet 🙂 .

Epäpuhtaudet ja allotroopit sekoittavat magnetismin

Sisäänrakennettujen vikojen lisäksi myös vieraat elementit voivat aiheuttaa magnetismia. Esimerkiksi boorin tai typen lisääminen jättää ylimääräisiä elektroneja, jotka mahdollistavat ferromagnetismin.

Tämä dopingvaikutus on tärkeä, koska raakagrafiitti sisältää paljon epäpuhtauksia. Pöly, savi, pienet metallihiukkaset - ne kaikki vaikuttavat magneettiseen vasteeseen.

Siksi eri grafiittilähteet tuntuvat enemmän tai vähemmän magneettisilta. Epäpuhtauksien määrä vaihtelee arvaamattomasti, joten magneettisuus riippuu suurelta osin näytteestä.

Asiaa mutkistaa entisestään se, että grafiitilla on rakenteellisia muunnoksia, joita kutsutaan allotroopeiksi. Grafeeni (yksittäiset kerrokset), nanoputket, tattaripallot, hiili, timantti... kaikilla on yhteisiä ominaisuuksia, kuten johtavuus, huolimatta niiden ainutlaatuisesta rakenteesta.

Ja koska geometria määrää materiaalin elektronisen konfiguraation, jokainen hiiliallotrooppi on eri tavalla vuorovaikutuksessa magnetismin kanssa:

• Timantti - ei-magneettinen
• Grafeeni - luontainen kvanttimagnetismi
• Nanoputket - muuttuva magnetismi vikojen vaikutuksesta
• Buckyballs - diamagneettinen
• Amorfinen hiili - epäpuhtauksista johtuva kompleksinen magnetismi

Kysymys "Onko grafiitti magneettinen?" ei siis ole paras kysymys. Vastaus riippuu joka grafiittia tarkoitat!

Ei ihme, että aihe on niin sekava 🙂 .

Ulkoiset tekijät taivuttavat grafiitin magnetismia

Sisäänrakennettujen ominaisuuksien, kuten vikojen ja geometrian, lisäksi grafiitin magneettisuutta muokkaavat myös ulkoiset tekijät.

Tutkijat havaitsivat, että he voivat saada aikaan ferromagnetismin säteilyttämällä grafiittia protoneilla. Säteily syrjäyttää hiiliatomit, jolloin jäljelle jää vikoja, jotka kytkeytyvät magneettisesti. Aika hurjaa!

Lämpötila muuttaa myös grafiitin diamagnetismia, joskaan ei paljon. Kävi ilmi, että lämpöenergia voittaa helposti kerrosten välisen heikon magneettisen kytkennän.

Tästä huolimatta erittäin korkeat lämpötilat (esimerkiksi valokaariuuni) vaikuttavat grafiitin elektronikonfiguraatioon. Vaikka jokapäiväiset lämpötilat aiheuttavat vähäisiä muutoksia, äärimmäinen kuumuus muuttaa magneettista vastetta jonkin verran.

Viimeinen ulkoisen magnetismin muuntaja on yksinkertaisesti ulkoisen magneettikentän käyttö. Jopa jääkaappimagneetti voi synnyttää grafiitissa lievän vastakkaisen kentän timagnetismin ansiosta.

Voimakkaat laboratoriokentät vahvistavat tätä vaikutusta. Indusoitu kenttä on kuitenkin suhteellisen pieni ja väliaikainen - grafiitista ei tule pysyvästi magneettista kuten raudasta.

Edistys mahdollistaa magneettisen grafiitin

Hyvä uutinen on se, että tutkijat löytävät keinoja, joilla grafiitin ailahtelevaa magnetismia voidaan kiertää. Nokkela kemiallinen muokkaus on yksi keino...

Esimerkiksi Ricen yliopiston tutkijat tekivät grafiitista magneettista kiinnittämällä siihen hydroksyyliryhmiä. Heidän yhdisteensä (fluorografiini) säilytti magneettisuuden jopa polttavissa lämpötiloissa - tämä ei todellakaan ole tyypillistä grafiitin käyttäytymistä!

Fluorografiaverkko - Luotto A.G. Rajan et. al (10.1021/jacs.6b12239)

Toiset taas havaitsivat, että grafeenin säteilyttäminen tekee siitä myös magneettisen.

Protonien katkaisevan grafeenin kaltaiset lähestymistavat eivät todennäköisesti toimi mittakaavassa. Mutta tutkimustasolla ne osoittavat, että grafiitti voidaan pakottaa magneettiseksi riittävän luovuuden avulla.

Johtopäätökset: Se on... monimutkaista!

Yhteenvetona - on grafiitti magneettinen?

Nikkelikierros kertoo, että se on diamagneettinen ja yleensä ei-magneettinen. Ja järjestäytyneiden grafiittikiteiden rakenteen perusteella se on tarkka arvio.

Mutta kun katsot tarkemmin, paljastuu kaikenlaisia monimutkaisuuksia:

• Ristikon viat aiheuttavat paikallisesti magnetismia...
• Jotkin kerrosten suuntaukset kytkeytyvät magneettisesti
• Epäpuhtaudet lainaavat ferromagnetismia ylimääräisten elektronien avulla.
• Allotrooppigeometria aiheuttaa odottamattomia vaikutuksia
• Ulkoiset tekijät, kuten lämpö ja magneetit, lisäävät vaikutusta

Huolimatta monimutkaisesta järjestelmästä aiheutuvasta päänvaivasta tutkijat - ovat löytää keinoja saada grafiitti vetämään puoleensa magneetteja... ainakin laboratoriossa.

Vaikka jokapäiväinen grafiitti ei olekaan kovin magneettista, tositarinassa on paljon vivahteita. Grafiitin suhde magnetismiin on itse asiassa rikas ja kiehtovan monimutkainen!